一種基于CAN總線與以太網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)經(jīng)典設(shè)計(jì)

近年來，隨著以太網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，特別是通信速率的提高和交互技術(shù)的應(yīng)用，使得以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)控制領(lǐng)域成為可能，這對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了新的影響。從目前的趨勢(shì)來看，以太網(wǎng)己經(jīng)進(jìn)入了現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)，但是已有的現(xiàn)場(chǎng)總線仍將繼續(xù)存在，工業(yè)以太網(wǎng)只能占領(lǐng)一定的市場(chǎng)。

從現(xiàn)實(shí)來看，以太網(wǎng)擴(kuò)展了現(xiàn)有的系統(tǒng)，但是現(xiàn)場(chǎng)總線不可能完全被工業(yè)以太網(wǎng)替代，后者的潛力巨大，其應(yīng)用領(lǐng)域一定會(huì)不斷擴(kuò)大。所以，將現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)底層生產(chǎn)與上層管理的緊密集成，已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。CAN總線作為國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，在我國也得到了很廣泛的應(yīng)用，該設(shè)計(jì)以CAN總線作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)其與以太網(wǎng)的互聯(lián)。

1硬件結(jié)構(gòu)

目前，對(duì)于CAN和以太網(wǎng)相連的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)主要有兩種方法：一種是低檔MCU加接口芯片的設(shè)計(jì)方法，另一種是高檔MCU加EOS（實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)）再加接口芯片的設(shè)計(jì)方法。因CAN只采用了ISO/OSI參考模型的一、二層，協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單，比較適合用于低成本、速率要求不高的離散控制系統(tǒng)。從合理的成本和有效利用處理能力這兩方面考慮，該設(shè)計(jì)采用低檔MCU加接口芯片的方法，其硬件框圖見圖1.

圖1 硬件原理圖

1.1主控芯片及以太網(wǎng)接口模塊

根據(jù)要求，該系統(tǒng)選擇了性能價(jià)格比較高的Atmel公司生產(chǎn)的AT89C55單片機(jī)。它是面向測(cè)控對(duì)象和嵌入式應(yīng)用的，所以它的體系結(jié)構(gòu)以及CPU、指令系統(tǒng)、外圍單元電路都是按照這種要求專門設(shè)計(jì)的。它內(nèi)部帶高達(dá)20 KB的FLASH程序存儲(chǔ)器，AT89C55完全兼容8051指令集，片上FLASH方便了使用者進(jìn)行在線編程，工作速率最高可達(dá)33 MHz，256 B的內(nèi)部RAM，32個(gè)可編程的I/O口，3個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，8個(gè)中斷源，支持低功耗的空閑工作模式。以太網(wǎng)接口選用的是RTL8019AS芯片，它是由Realtek公司生產(chǎn)的一種高度集成的以太網(wǎng)控制器，能實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)媒介訪問層（MAC）和物理層（PHY）的全部功能。RTL8019AS內(nèi)部有兩個(gè)RAM區(qū)域：一是16 KB，地址為0x4000～0x7fff，要接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包必須通過DMA讀寫RTL8019AS內(nèi)部的16 KB的RAM，它實(shí)際上是雙端口RAM，即有兩條總線與其連接，一條總線用于RTL8019AS讀/寫或?qū)?讀該RAM，即本地DMA；另一條總線用于單片機(jī)讀或?qū)懺揜AM，即遠(yuǎn)程DMA；二是32個(gè)字節(jié)，地址為0x0000～0x001F，用于存儲(chǔ)以太網(wǎng)物理地址。主控芯片和以太網(wǎng)接口芯片的硬件接口原理圖見圖2.值得注意的是由于以太網(wǎng)的包最大可以超過1 500個(gè)字節(jié)，AT89C55的片內(nèi)RAM只有256個(gè)字節(jié)，因此無法存儲(chǔ)這么大的包，所以這里擴(kuò)展了一個(gè)32 KB的外部RAM，這樣同時(shí)也能提高單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速度。

圖2 以太網(wǎng)接口電路原理圖

1.2 CAN接口模塊

組成CAN系統(tǒng)的主要器件是CAN控制器和收發(fā)器。該設(shè)計(jì)中，CAN接口模塊選用SJA1000芯片和PCA82C250芯片。SJA1000是一個(gè)獨(dú)立的CAN控制器，它是Philips公司另一個(gè)CAN控制器PCA82C200的替代產(chǎn)品，且增加了一種新的工作模式（Peli CAN），這種模式支持CAN 2.0B協(xié)議。SJA1000主要完成CAN的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)報(bào)文的裝配和拆分、接收信息的過濾和校驗(yàn)等。

PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，主要用于增強(qiáng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力。采用收發(fā)器的系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)至少可以達(dá)到110個(gè)，同時(shí)還具有降低射頻干擾（RFI）和很強(qiáng)的抗電磁干擾（EMI）能力。在處理這部分電路時(shí)，有幾個(gè)地方要特別注意：

（1）晶振電路的問題。89C55和SJA1000都應(yīng)該有各自獨(dú)立的晶振電路，不能夠用SJA1000的時(shí)鐘輸出信號(hào)CLKOUT來驅(qū)動(dòng)單片機(jī)。

（2）復(fù)位引腳的問題。雖然SJA1000的復(fù)位是低電平，但不能通過一個(gè)非門直接連接單片機(jī)的復(fù)位引腳。一般對(duì)解決復(fù)位引腳問題有兩種方式：第一種是使用單片機(jī)的I/O引腳控制SJA的復(fù)位引腳，其好處是單片機(jī)可以完全控制SJA的復(fù)位過程；第二種是采用適當(dāng)?shù)膹?fù)位芯片，為了降低成本，該設(shè)計(jì)采取的是第一種方法。

（3）RX1引腳的電位必須維持在約0.5 VCC上，否則將不能形成CAN協(xié)議所要求的邏輯電平。

（4）一定要注意電纜的終端阻抗匹配，它直接影響CAN總線是否能正常工作和網(wǎng)絡(luò)性能。CAN接口模塊的硬件電路圖見圖3，在PCA82C250的RS腳上接有一個(gè)斜率電阻R，可根據(jù)總線通信速度適當(dāng)調(diào)整電阻的大小。

圖3 CAN接口模塊的硬件電路圖

2通信模塊軟件設(shè)計(jì)

2.1 SJA1000驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

SJA1000驅(qū)動(dòng)程序是由SJA的初始化函數(shù)、發(fā)送函數(shù)、接收函數(shù)組成的，圖4所示為其流程圖。

圖4 SJA1000驅(qū)動(dòng)程序流程圖

（1）SJA1000的初始化。SJA1000在系統(tǒng)上電、硬件復(fù)位或主控制器發(fā)出復(fù)位命令后需要進(jìn)行初始化，以設(shè)定它的工作模式、通信速率、輸出控制方式和標(biāo)識(shí)符屏蔽格式等重要參數(shù)。CAN控制器SJA1000的初始化只能在復(fù)位模式下才能完成。程序的流程圖如圖4所示。

首先程序檢測(cè)CAN接口是否正常工作，即向SJA1000的測(cè)試寄存器寫入并讀出，校驗(yàn)其結(jié)果是否一致，如果結(jié)果一致則進(jìn)入復(fù)位模式進(jìn)行初始化設(shè)置。在初始化的過程中，如果對(duì)某個(gè)寄存器的設(shè)置超過規(guī)定的時(shí)間還未完成，則認(rèn)為初始化失敗，初始化程序自動(dòng)發(fā)送錯(cuò)誤信號(hào)。

（2）數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。SJA1000芯片有一個(gè)報(bào)文發(fā)送緩沖區(qū)和兩個(gè)報(bào)文接收緩沖區(qū)，用于CAN報(bào)文傳送。數(shù)據(jù)從CAN控制器SJA1000發(fā)送到CAN總線首先是由CAN控制器自動(dòng)完成的，發(fā)送數(shù)據(jù)程序把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中待發(fā)送的數(shù)據(jù)取出，組成信息幀，并將主機(jī)的ID地址填人幀頭；然后將信息幀發(fā)送到CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)；最后啟動(dòng)發(fā)送命令即可。信息從CAN總線到CAN接收緩沖區(qū)也是由CAN控制器自動(dòng)完成的。接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取要接收的信息，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)即可。

2.2 RTL8019AS驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)程序和SJA的驅(qū)動(dòng)程序一樣，有3種功能：芯片初始化、收包、發(fā)包。

（1）RTL8019AS的初始化。RTL8019AS的初始化過程比較復(fù)雜，但十分重要，它決定了通信過程中的一些重要參數(shù)。如設(shè)置相關(guān)工作模式的寄存器，分配和初始化接收及發(fā)送緩沖區(qū)，初始化網(wǎng)卡接收地址等，其流程圖見圖5所示。

圖5 RTL8019AS的初始化流程圖

（2）數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。因?yàn)樵赗TL8019AS的初始化程序中已經(jīng)完成了以太網(wǎng)的物理地址設(shè)置，并指定了發(fā)送緩沖區(qū)起始頁面地址寄存器TPSR.此外，RTL8019AS的CRC校驗(yàn)自動(dòng)生成器也被使能，所以RTL8019AS的數(shù)據(jù)包發(fā)送程序相對(duì)要簡(jiǎn)單。在數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程中，AT89C55只要通過遠(yuǎn)程DMA將待發(fā)送的數(shù)據(jù)包寫至RTL8019AS片內(nèi)SRAM的發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動(dòng)發(fā)送過程即可。

在接收數(shù)據(jù)包時(shí)，有查詢和中斷兩種方式，鑒于AT89C55的處理能力有限，在該設(shè)計(jì)中采用查詢方式，根據(jù)判斷CURB==BNRY+1，可以判斷是否收到新的數(shù)據(jù)包，如果有則通過DMA讀操作從網(wǎng)卡芯片RAM讀出數(shù)據(jù)。

2.3網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換流程

嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)的互連。當(dāng)以太網(wǎng)應(yīng)用層有數(shù)據(jù)要發(fā)送到CAN節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，由以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊解析完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包，通過CAN控制器發(fā)送到CAN總線。反之，當(dāng)CAN設(shè)備有數(shù)據(jù)要發(fā)送到用戶層時(shí)，首先將數(shù)據(jù)發(fā)送到透明網(wǎng)關(guān)，由CAN控制器協(xié)議模塊將完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包存放在緩沖區(qū)，再通知主控芯片，由它調(diào)用以太網(wǎng)控制協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，將完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包作為應(yīng)用層數(shù)據(jù)封裝起來，再發(fā)送到以太網(wǎng)的應(yīng)用層。

3結(jié)語

這里介紹的是一種低成本、高可靠性、快捷的CAN以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件、軟件設(shè)計(jì)方案，通過實(shí)際應(yīng)用證明，該設(shè)計(jì)可以作為CAN總線節(jié)點(diǎn)的一個(gè)模塊，能夠與儀器儀表等設(shè)備相結(jié)合，使其具有網(wǎng)絡(luò)通信的能力，比較同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)能大大提高其性價(jià)比。