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CAN總線與以太網(wǎng)互連系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：介紹了一種基于單片機(jī)ＳＸ５２的ＣＡＮ與以太網(wǎng)互連方案，闡述了以太網(wǎng)和ＣＡＮ總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)與現(xiàn)有ＣＡＮ總線網(wǎng)的直接連接。保證管理監(jiān)控層（以太網(wǎng)）與生產(chǎn)測(cè)控層（ＣＡＮ總線網(wǎng)）之間的連接，使得上下層數(shù)據(jù)能方便地通信。在大型企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，上層企業(yè)管理層和生產(chǎn)監(jiān)控層一般都采用以太網(wǎng)和ＰＣ機(jī)，而下層車間現(xiàn)場(chǎng)則采用現(xiàn)場(chǎng)總線和單片機(jī)測(cè)控設(shè)備。上下兩層的溝通，通常采用工業(yè)控制機(jī)加以太網(wǎng)卡，再加上ＰＣ機(jī)插槽上的接口卡或并行打印口的ＥＰＰ接口卡實(shí)現(xiàn)。這種連接方式成本高，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。針對(duì)這種情況，筆者設(shè)計(jì)一種單獨(dú)的ＣＡＮ以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互連系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與現(xiàn)有ＣＡＮ總線網(wǎng)的直接數(shù)據(jù)互聯(lián)。
１ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為三部分：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)（ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò)）、嵌入式透明ＳＸ５２網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)信息管理終端（如監(jiān)控平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)等），如圖１所示。
ＣＡＮ總線是一個(gè)設(shè)備互連總線型控制網(wǎng)絡(luò)。在ＣＡＮ總線上可以掛接多達(dá)１１０個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，各設(shè)備間可以自主相互通信，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。但設(shè)備信息層無(wú)法直接到達(dá)信息管理層，要想設(shè)備信息進(jìn)入信息管理層需通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。嵌入式透明ＳＸ５２網(wǎng)關(guān)就是為此而設(shè)計(jì)的。
透明式網(wǎng)關(guān)在以太網(wǎng)應(yīng)用層構(gòu)建和解析完整的ＣＡＮ協(xié)議數(shù)據(jù)包。ＣＡＮ協(xié)議數(shù)據(jù)包作為ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，它對(duì)通信數(shù)據(jù)的具體實(shí)際意義不做任何解釋。透明式網(wǎng)關(guān)由通信處理器、ＣＡＮ總線控制器和以太網(wǎng)控制器三部分組成。其中ＳＸ５２單片機(jī)為核心處理器，它實(shí)現(xiàn)了ＣＡＮ控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。以太網(wǎng)信息管理層的控制指令發(fā)送到嵌入式透明ＳＸ５２網(wǎng)關(guān)，將ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議包數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ＣＡＮ協(xié)議形式發(fā)送至ＣＡＮ控制網(wǎng)絡(luò)中的指定設(shè)備節(jié)點(diǎn)，完成信息管理層對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的控制。同樣地，當(dāng)ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備數(shù)據(jù)（如定時(shí)采樣數(shù)據(jù)或報(bào)警信息）要傳輸?shù)叫畔⒐芾韺訒r(shí)，可將數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式透明ＳＸ５２網(wǎng)關(guān)，再通過(guò)網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序?qū)ⅲ茫粒螀f(xié)議數(shù)據(jù)封裝成ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送至以太網(wǎng)上的監(jiān)控計(jì)算機(jī)。
以太網(wǎng)信息管理終端是一個(gè)根據(jù)用戶的具體要求而設(shè)計(jì)的用戶層應(yīng)用軟件。它可以是一個(gè)ＷＩＮ３２監(jiān)控程序或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)（記錄ＣＡＮ節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)）軟件等；甚至可能是ＣＡＮ節(jié)點(diǎn)設(shè)備的服務(wù)器軟件，為設(shè)備提供較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作。
２ 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件分為兩大部分：ＣＡＮ總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口設(shè)計(jì)和嵌入式透明ＳＸ５２網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)。
２．１ ＣＡＮ總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口設(shè)計(jì)
ＣＡＮ總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口設(shè)計(jì)較網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。它是在完成設(shè)備功能的基礎(chǔ)上加入一個(gè)ＣＡＮ通信控制器接口芯片，實(shí)現(xiàn)與ＣＡＮ總線網(wǎng)絡(luò)的連接。考慮到開(kāi)發(fā)成本和靈活性，筆者在設(shè)計(jì)中選用ＰＨＩＬＩＰＨＳ公司的獨(dú)立ＣＡＮ通信控制器ＳＪＡ１０００芯片和ＣＡＮ總線收發(fā)器８２Ｃ２５０芯片。其結(jié)構(gòu)如圖２所示。
２．２ 嵌入式透明ＳＸ５２網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)
嵌入式透明網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。其結(jié)構(gòu)如圖３所示。它由ＣＡＮ控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊兩部分組成。網(wǎng)關(guān)硬件中ＳＸ５２微處理器起核心作用。它是由美國(guó)Ｕｂｉｃｏｍ公司研制的高速可配置通信控制器，其處理速度相當(dāng)高。在外接１００ＭＨｚ時(shí)鐘時(shí)，指令執(zhí)行速度可達(dá)１００ ＭＩＰＳ。它可實(shí)現(xiàn)ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧中的ＡＲＰ、ＩＰ、ＵＤＰ、ＴＣＰ、ＨＴＴＰ、ＳＭＴＰ、ＩＣＭＰ等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
ＣＡＮ控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊硬件電路原理如圖３左框圖。它由三部分組成：微控制器ＳＸ５２、獨(dú)立ＣＡＮ通信控制器ＳＪＡ１０００、ＣＡＮ總線收發(fā)器８２Ｃ２５０。其中ＳＸ５２為唯一的ＣＰＵ核心，負(fù)責(zé)ＳＪＡ１０００的初始化，通過(guò)讀寫(xiě)ＳＪＡ１０００內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送和錯(cuò)誤處理等。ＰＣＡ８２Ｃ２５０則提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)ＣＡＮ控制器的差動(dòng)接收能力。
以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要由微控制器ＳＸ５２、以太網(wǎng)通信控制器ＲＴＬ８０１９ＡＳ和隔離濾波器ＦＢ２００２組成。ＲＴＬ８０１９ＡＳ是臺(tái)灣Ｒｅａｌｔｅｋ公司制造的一種高集成度的全雙工１０Ｍｂｐｓ以太網(wǎng)控制芯片，實(shí)現(xiàn)了基于Ｅｔｈｅｒｎｅｔ協(xié)議的ＭＡＣ層的全部功能，內(nèi)置１６ＫＢ的ＳＲＡＭ、雙ＤＭＡ通道和ＦＩＦＯ完成數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送功能。在網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中，使用跳線模式（ＪＰ置為高）硬配置ＲＴＬ８０１９ＡＳ為８位模式。使用ＲＴＬ８０１９的低５位地址線Ａ０～Ａ４以及低８位數(shù)據(jù)線Ｄ０～Ｄ７。ＳＸ５２的Ｂ口的Ｂ０～Ｂ４腳作為地址線連接ＲＴＬ８０１９ＡＳ的低５位地址線，Ｂ５～Ｂ７作為控制線分別連接讀寫(xiě)時(shí)序控制腳ＩＯＲＢ、ＩＯＷＢ、ＩＯＣＨＲＤＹ；Ｃ口作為數(shù)據(jù)線連接ＲＴＬ８０１９ＡＳ的低８位數(shù)據(jù)線；Ａ口保留，用作日后擴(kuò)展。圖３中ＡＴ２４Ｃ６４為８ＫＢ ＥＥＰＲＯＭ，主要用來(lái)保存嵌入式透明ＳＸ－５２網(wǎng)關(guān)的配置信息，如網(wǎng)關(guān)ＩＰ地址、ＭＡＣ地址和ＳＪＡ１０００的ＩＤ網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示符、網(wǎng)絡(luò)掩碼ＡＭＲ和總線定時(shí)（ＢＴＲ０、ＢＴＲ１）等。這樣，可以靈活方便地修改網(wǎng)關(guān)參數(shù)，適應(yīng)不同環(huán)境，同時(shí)也考慮到以后的擴(kuò)展。
ＲＴＬ８０１９ＡＳ除與ＳＸ５２連接外，還將其網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器的４根引腳ＴＰＯＵＴ＋、ＴＰＯＵＴ－、ＴＰＩＮ＋、ＴＰＩＮ－通過(guò)外接的隔離濾波器ＦＢ２００２與以太網(wǎng)相連。采用隔離濾波器ＦＢ２００２是為了提高網(wǎng)絡(luò)通信的抗干擾能力。
３ 軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為三部分：ＣＡＮ總線設(shè)備接口通信程序、透明網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序和以太網(wǎng)層應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。其中，ＣＡＮ總線設(shè)備接口通信程序和透明網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序的ＣＡＮ控制器協(xié)議模塊在結(jié)構(gòu)上有較大的相似性，但有可能因采用微控制器不同而導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)的程序語(yǔ)言相異。因而，在此不作論述，而主要討論后兩個(gè)方面的程序設(shè)計(jì)。
３．１ 透明網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序
透明網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序的整體設(shè)計(jì)思路為：當(dāng)以太網(wǎng)
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