太網(wǎng)互連設(shè)計分析論文

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摘要：介紹了一種基于單片機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，實現(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。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線CAN總線以太網(wǎng)

在大型企業(yè)自動化系統(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，而下層車間現(xiàn)場則采用現(xiàn)場總線和單片機測控設(shè)備。上下兩層的溝通，通常采用工業(yè)控制機加以太網(wǎng)卡，再加上PC機插槽上的接口卡或并行打印口的EPP接口卡實現(xiàn)。這種連接方式成本高，開發(fā)周期長。針對這種情況，筆者設(shè)計一種單獨的CAN以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互連系統(tǒng)，成功地實現(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)場測控網(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)控平臺和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫等），如圖1所示。

CAN總線是一個設(shè)備互連總線型控制網(wǎng)絡(luò)。在CAN總線上可以掛接多達110個設(shè)備節(jié)點，各設(shè)備間可以自主相互通信，實現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。但設(shè)備信息層無法直接到達信息管理層，要想設(shè)備信息進入信息管理層需通過數(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)進行傳輸，它對通信數(shù)據(jù)的具體實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單片機為核心處理器，它實現(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，完成信息管理層對現(xiàn)場設(shè)備層的控制。同樣地，當CAN網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備數(shù)據(jù)（如定時采樣數(shù)據(jù)或報警信息）要傳輸?shù)叫畔⒐芾韺訒r，可將數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式透明SX52網(wǎng)關(guān)，再通過網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序?qū)AN協(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)控計算機。

以太網(wǎng)信息管理終端是一個根據(jù)用戶的具體要求而設(shè)計的用戶層應(yīng)用軟件。它可以是一個WIN32監(jiān)控程序或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫（記錄CAN節(jié)點設(shè)備數(shù)據(jù)）軟件等；甚至可能是CAN節(jié)點設(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

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)計和嵌入式透明SX52網(wǎng)關(guān)設(shè)計。

2．1CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口設(shè)計

CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口設(shè)計較網(wǎng)關(guān)設(shè)計簡單。它是在完成設(shè)備功能的基礎(chǔ)上加入一個CAN通信控制器接口芯片，實現(xiàn)與CAN總線網(wǎng)絡(luò)的連接?？紤]到開發(fā)成本和靈活性，筆者在設(shè)計中選用PHILIPHS公司的獨立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

嵌入式透明網(wǎng)關(guān)設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的核心。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Ubicom公司研制的高速可配置通信控制器，其處理速度相當高。在外接100MHz時鐘時，指令執(zhí)行速度可達100MIPS。它可實現(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，負責SJA1000的初始化，通過讀寫SJA1000內(nèi)部寄存器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送和錯誤處理等。PCA82C250則提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。

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時序控制腳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，用作日后擴展。圖3中AT24C64為8KBEEPROM，主要用來保存嵌入式透明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)標示符、網(wǎng)絡(luò)掩碼AMR和總線定時（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，同時也考慮到以后的擴展。

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

整個互聯(lián)系統(tǒng)的軟件設(shè)計可以分為三部分：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。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)致實現(xiàn)的程序語言相異。因而，在此不作論述，而主要討論后兩個方面的程序設(shè)計。

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)計思路為：當以太網(wǎng)應(yīng)用層有數(shù)據(jù)要發(fā)送到CAN節(jié)點時，首先，數(shù)據(jù)發(fā)送到透明網(wǎng)關(guān)由以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊從傳輸層數(shù)據(jù)報文中解析出完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包，存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A再通知總調(diào)度模塊，由它調(diào)用CAN控制器協(xié)議模塊將CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包發(fā)送到CAN總線上。反過來，當CAN設(shè)備有數(shù)據(jù)要發(fā)送到用戶層時，首先，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)包存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B再通知總調(diào)度模塊，由它調(diào)用以太網(wǎng)控制器協(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。其程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3．1．1CAN控制器協(xié)議模塊

CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊程序主要由SJA1000的寄存器讀程序CANRead（）、寫程序CANWrite（）、初始化程序CANInit（）、發(fā)送程序txdsub（）、接收程序rxdsub（）程序組成。之所以要編寫單獨的SJA1000的寄存器讀、寫子程序，這是由SX52芯片只有I／O端口決定的。

選用CAN2．0A協(xié)議構(gòu)建CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)，對SJA1000的初始化主要完成控制寄存器CR、驗收代碼寄存器ACR、驗收屏蔽寄存器AMR、總線定時寄存器BTR0，1和輸出控制寄存器OCR的設(shè)置。初始化完成后，由總調(diào)度模塊監(jiān)控SJA1000控制器。當CAN總線上有數(shù)據(jù)到達時，它調(diào)用接收子程序rxdsub（），把這一幀數(shù)據(jù)包存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中，然后釋放接收緩沖器。同樣，當有按CAN2．0A協(xié)議格式組合成的一幀數(shù)據(jù)報文在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A中要發(fā)送到CAN總線上去時，總調(diào)度模塊將調(diào)CAN發(fā)送子程序txdsub（）發(fā)送。

3．1．2以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要負責從UDP數(shù)據(jù)包中解析出完整CAN協(xié)議報文，存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A。同時，可能將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中的完整CAN協(xié)議報文封裝成UDP數(shù)據(jù)報，然后將其發(fā)送到以太網(wǎng)上。

在通信傳輸層采用UDP協(xié)議是考慮到CAN協(xié)議數(shù)據(jù)報為短幀形式（每個數(shù)據(jù)幀最多為8字節(jié)）。如果采用TCP傳輸協(xié)議，要傳輸8字節(jié)CAN協(xié)議數(shù)據(jù)，要先通過3次握手建立連接，再傳輸數(shù)據(jù)，之后還要通過握手釋放連接。這樣傳輸效率對有限的網(wǎng)絡(luò)資源來說無疑是一種浪費。而UDP是無連接的傳輸，可以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，同時，也減輕網(wǎng)關(guān)的處理任務(wù)。當然，UDP傳輸協(xié)議是不可靠的，對于控制網(wǎng)絡(luò)來說，是不允許的。為了提高通信的可靠性，采用了回傳校驗機制。通過實驗測試表明這種方式是行之有效的。

以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要由以太網(wǎng)卡驅(qū)動、ARP、UDP協(xié)議的若干個API函數(shù)組成，如NICInit（）、NICDMAInit（）、NICInitTxFrame（）、NICSendTxFrame（）、NICReadAgain（）、ARPCheckIfIs（）、ARPSendResponse（）、ARPSendStPacket（）、ICMPProcPktIn（）、UDPAppInit（）、IPGenCheckSum（）、、UDPAppProcPktIn（）、UDPStartPktOut（）和UDPEndPktOut（）等。所使用的變量有：remoteIP[3:0]、myIP[3:0]、UDPRxSrcPortMSB、UDPRxSrcPortLSB、UDPRxDataLenMSB、UDPRxDataLenLSB、UDPTxSrcPortMSB,UDPTxSrcPortLSB、UDPTxDestPortMSB、UDPTxDestPortLSB、DPTxDataLenMSB,UDPTxDataLenLSB等。

系統(tǒng)首次執(zhí)行或復(fù)位時，以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將首先調(diào)用NICInit()和UDPAppInit()等進行NIC、ARP、IP、UDP和應(yīng)用程序的初始化。初始化完成后，即進入主循環(huán)。在主循環(huán)中，SX52將反復(fù)檢測RTL8019AS是否接收以太網(wǎng)幀。當有數(shù)據(jù)被接收時，SX52調(diào)用NICDMAInit()和NICReadAgain()讀入以太網(wǎng)幀首部再調(diào)用ARPCheckIfIs()判斷接收幀是否為ARP數(shù)據(jù)。若是ARP，則轉(zhuǎn)入ARPSendResponse()和ARPSendStPacket()子程序進行ARP處理并發(fā)送響應(yīng)ARP數(shù)據(jù)報；若不是ARP，則判斷是否為IP數(shù)據(jù)報。若非IP數(shù)據(jù)報則清除該以太網(wǎng)幀；當所接收幀包含IP數(shù)據(jù)報時，則需進一步判斷是ICMP數(shù)據(jù)報還是UDP數(shù)據(jù)報文。若是ICMP數(shù)據(jù)報則執(zhí)行ICMPProcPktIn()子程序處理ICMP數(shù)據(jù)報并重發(fā)IP數(shù)據(jù)報；若數(shù)據(jù)為UDP數(shù)據(jù)報文，則調(diào)用UDPProcPktIn()子程序。該程序?qū)⒆x入UDP數(shù)據(jù)報文首部的數(shù)據(jù)并進行相應(yīng)處理，還原出完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)報文存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中，再通知總調(diào)度程序，由總調(diào)度程序調(diào)用CAN總線控制子程序?qū)AN協(xié)議數(shù)據(jù)報文發(fā)往CAN總線。

反過來，當總調(diào)度程序通知以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中準備好的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上時，它將調(diào)用NICInitTxFrame()、UDPStartPktOut()、IPGenCheckSum()、IPStartPktOut()、NICSendTxFrame()、UDPEndPktOut()等子函數(shù)進行發(fā)送處理，從而實現(xiàn)CAN總線到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。

3．2以太網(wǎng)層應(yīng)用程序設(shè)計

以太網(wǎng)上的通信協(xié)議一般采用TCP／IP協(xié)議。本文采用流行的SOCKET套接字編程，傳輸層協(xié)議選擇UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議），通過VisualC＋＋編寫用戶層程序。

WinSock提供了對UDP的支持，通過UDP協(xié)議可以向指定IP地址的透明網(wǎng)關(guān)發(fā)送CAN協(xié)議數(shù)據(jù)，同時也可以通過它接收CAN協(xié)議數(shù)據(jù)。發(fā)送和接收方處于相同的地位沒有主次之分。利用CAsyncSocket類操縱無連接的數(shù)據(jù)發(fā)送較簡單。首先生成一個本地套接口（需要指明SOCK＿DGRAM標記）；然后利用intCAsyncSocketSendToconstvoidlpBufintnBufLenUINTnHostPortLPCTSTRlpszHostAddress＝NULLintnFlags＝0發(fā)送數(shù)據(jù)，intCAsyncSocketReceiveFromvoidlpBufintnBufLenCString＆rSocketAddressUINT＆rSocketPortintnFlags＝0接收數(shù)據(jù)。利用UDP協(xié)議可以使管理主機和SX52網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通信。同時，這種傳輸方式也易于使數(shù)據(jù)SX52網(wǎng)關(guān)透明化。

本文介紹了一種低成本、高可靠性、快捷的CAN總線與以太網(wǎng)互連方案。該互連方案保證管理監(jiān)控層與生產(chǎn)測控層之間的連接，方便了上下層信息交流，滿足工廠、變電站等工業(yè)場合的應(yīng)用要求。