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CAN總線(xiàn)與以太網(wǎng)互連系統設計
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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議轉換的軟硬件設計，實(shí)現了以太網(wǎng)與現有ＣＡＮ總線(xiàn)網(wǎng)的直接連接。保證管理監控層（以太網(wǎng)）與生產(chǎn)測控層（ＣＡＮ總線(xiàn)網(wǎng)）之間的連接，使得上下層數據能方便地通信。在大型企業(yè)自動(dòng)化系統中，上層企業(yè)管理層和生產(chǎn)監控層一般都采用以太網(wǎng)和ＰＣ機，而下層車(chē)間現場(chǎng)則采用現場(chǎng)總線(xiàn)和單片機測控設備。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(shí)現。這種連接方式成本高，開(kāi)發(fā)周期長(cháng)。針對這種情況，筆者設計一種單獨的ＣＡＮ以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互連系統，成功地實(shí)現以太網(wǎng)與現有ＣＡＮ總線(xiàn)網(wǎng)的直接數據互聯(lián)。
１ 系統結構
系統總體結構分為三部分：現場(chǎng)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（如監控平臺和網(wǎng)絡(luò )數據庫等），如圖１所示。
ＣＡＮ總線(xiàn)是一個(gè)設備互連總線(xiàn)型控制網(wǎng)絡(luò )。在ＣＡＮ總線(xiàn)上可以?huà)旖佣噙_１１０個(gè)設備節點(diǎn)，各設備間可以自主相互通信，實(shí)現復雜網(wǎng)絡(luò )控制系統。但設備信息層無(wú)法直接到達信息管理層，要想設備信息進(jìn)入信息管理層需通過(guò)數據網(wǎng)關(guān)。嵌入式透明ＳＸ５２網(wǎng)關(guān)就是為此而設計的。
透明式網(wǎng)關(guān)在以太網(wǎng)應用層構建和解析完整的ＣＡＮ協(xié)議數據包。ＣＡＮ協(xié)議數據包作為ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò )應用層的數據進(jìn)行傳輸，它對通信數據的具體實(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(xiàn)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(shí)現了ＣＡＮ控制網(wǎng)絡(luò )與以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉換。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)議包數據轉換為ＣＡＮ協(xié)議形式發(fā)送至ＣＡＮ控制網(wǎng)絡(luò )中的指定設備節點(diǎn)，完成信息管理層對現場(chǎng)設備層的控制。同樣地，當ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò )上的設備數據（如定時(shí)采樣數據或報警信息）要傳輸到信息管理層時(shí)，可將數據發(fā)送到嵌入式透明ＳＸ５２網(wǎng)關(guān)，再通過(guò)網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉換程序將ＣＡＮ協(xié)議數據封裝成ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議的以太網(wǎng)數據幀發(fā)送至以太網(wǎng)上的監控計算機。
以太網(wǎng)信息管理終端是一個(gè)根據用戶(hù)的具體要求而設計的用戶(hù)層應用軟件。它可以是一個(gè)ＷＩＮ３２監控程序或網(wǎng)絡(luò )數據庫（記錄ＣＡＮ節點(diǎn)設備數據）軟件等；甚至可能是ＣＡＮ節點(diǎn)設備的服務(wù)器軟件，為設備提供較復雜的數據處理工作。
２ 硬件設計
系統硬件分為兩大部分：ＣＡＮ總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備接口設計和嵌入式透明ＳＸ５２網(wǎng)關(guān)設計。
２．１ ＣＡＮ總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備接口設計
ＣＡＮ總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備接口設計較網(wǎng)關(guān)設計簡(jiǎn)單。它是在完成設備功能的基礎上加入一個(gè)ＣＡＮ通信控制器接口芯片，實(shí)現與ＣＡＮ總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的連接�？紤]到開(kāi)發(fā)成本和靈活性，筆者在設計中選用ＰＨＩＬＩＰＨＳ公司的獨立ＣＡＮ通信控制器ＳＪＡ１０００芯片和ＣＡＮ總線(xiàn)收發(fā)器８２Ｃ２５０芯片。其結構如圖２所示。
２．２ 嵌入式透明ＳＸ５２網(wǎng)關(guān)設計
嵌入式透明網(wǎng)關(guān)設計是整個(gè)系統設計的核心。其結構如圖３所示。它由ＣＡＮ控制器協(xié)議轉換模塊和以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉換模塊兩部分組成。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(shí)鐘時(shí)，指令執行速度可達１００ ＭＩＰＳ。它可實(shí)現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(xiàn)收發(fā)器８２Ｃ２５０。其中ＳＸ５２為唯一的ＣＰＵ核心，負責ＳＪＡ１０００的初始化，通過(guò)讀寫(xiě)ＳＪＡ１０００內部寄存器實(shí)現數據的接收、發(fā)送和錯誤處理等。ＰＣＡ８２Ｃ２５０則提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送能力和對ＣＡＮ控制器的差動(dòng)接收能力。
以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉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(shí)現了基于Ｅｔｈｅｒｎｅｔ協(xié)議的ＭＡＣ層的全部功能，內置１６ＫＢ的ＳＲＡＭ、雙ＤＭＡ通道和ＦＩＦＯ完成數據包的接收和發(fā)送功能。在網(wǎng)關(guān)設計中，使用跳線(xiàn)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(xiàn)Ａ０～Ａ４以及低８位數據線(xiàn)Ｄ０～Ｄ７。ＳＸ５２的Ｂ口的Ｂ０～Ｂ４腳作為地址線(xiàn)連接ＲＴＬ８０１９ＡＳ的低５位地址線(xiàn)，Ｂ５～Ｂ７作為控制線(xiàn)分別連接讀寫(xiě)時(shí)序控制腳ＩＯＲＢ、ＩＯＷＢ、ＩＯＣＨＲＤＹ；Ｃ口作為數據線(xiàn)連接ＲＴＬ８０１９ＡＳ的低８位數據線(xiàn)；Ａ口保留，用作日后擴展。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 )標示符、網(wǎng)絡(luò )掩碼ＡＭＲ和總線(xiàn)定時(shí)（ＢＴＲ０、ＢＴＲ１）等。這樣，可以靈活方便地修改網(wǎng)關(guān)參數，適應不同環(huán)境，同時(shí)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(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 軟件設計
整個(gè)互聯(lián)系統的軟件設計可以分為三部分：ＣＡＮ總線(xiàn)設備接口通信程序、透明網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉換程序和以太網(wǎng)層應用程序設計。其中，ＣＡＮ總線(xiàn)設備接口通信程序和透明網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉換程序的ＣＡＮ控制器協(xié)議模塊在結構上有較大的相似性，但有可能因采用微控制器不同而導致實(shí)現的程序語(yǔ)言相異。因而，在此不作論述，而主要討論后兩個(gè)方面的程序設計。
３．１ 透明網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉換程序
透明網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉換程序的整體設計思路為：當以太網(wǎng)
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