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CAN總線與以太網互連系統設計
摘要：介紹了一種基于單片機ＳＸ５２的ＣＡＮ與以太網互連方案，闡述了以太網和ＣＡＮ總線網絡協議轉換的軟硬件設計，實現了以太網與現有ＣＡＮ總線網的直接連接。保證管理監控層（以太網）與生產測控層（ＣＡＮ總線網）之間的連接，使得上下層數據能方便地通信。關鍵詞：現場總線CAN總線以太網
在大型企業自動化系統中，上層企業管理層和生產監控層一般都采用以太網和ＰＣ機，而下層車間現場則采用現場總線和單片機測控設備。上下兩層的溝通，通常采用工業控制機加以太網卡，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。這種連接方式成本高，開發周期長。針對這種情況，筆者設計一種單獨的ＣＡＮ以太網網關互連系統，成功地實現以太網與現有ＣＡＮ總線網的直接數據互聯。
�。毕到y結構
系統總體結構分為三部分：現場測控網絡（ＣＡＮ網絡）、嵌入式透明ＳＸ５２網關、以太網信息管理終端（如監控平臺和網絡數據庫等），如圖１所示。
�。茫粒慰偩�是一個設備互連總線型控制網絡。在ＣＡＮ總線上可以掛接多達１１０個設備節點，各設備間可以自主相互通信，實現復雜網絡控制系統。但設備信息層無法直接到達信息管理層，要想設備信息進入信息管理層需通過數據網關。嵌入式透明ＳＸ５２網關就是為此而設計的。
透明式網關在以太網應用層構建和解析完整的ＣＡＮ協議數據包。ＣＡＮ協議數據包作為ＴＣＰ／ＩＰ網絡應用層的數據進行傳輸，它對通信數據的具體實際意義不做任何解釋。透明式網關由通信處理器、ＣＡＮ總線控制器和以太網控制器三部分組成。其中ＳＸ５２單片機為核心處理器，它實現了ＣＡＮ控制網絡與以太網之間的協議轉換。以太網信息管理層的控制指令發送到嵌入式透明ＳＸ５２網關，將ＴＣＰ／ＩＰ協議包數據轉換為ＣＡＮ協議形式發送至ＣＡＮ控制網絡中的指定設備節點，完成信息管理層對現場設備層的控制。同樣地，當ＣＡＮ網絡上的設備數據（如定時采樣數據或報警信息）要傳輸到信息管理層時，可將數據發送到嵌入式透明ＳＸ５２網關，再通過網關協議轉換程序將ＣＡＮ協議數據封裝成ＴＣＰ／ＩＰ協議的以太網數據幀發送至以太網上的監控計算機。
以太網信息管理終端是一個根據用戶的具體要求而設計的用戶層應用軟件。它可以是一個ＷＩＮ３２監控程序或網絡數據庫（記錄ＣＡＮ節點設備數據）軟件等；甚至可能是ＣＡＮ節點設備的服務器軟件，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總線網絡設備接口設計和嵌入式透明ＳＸ５２網關設計。
�。玻保茫粒慰偩�網絡設備接口設計
�。茫粒慰偩�網絡設備接口設計較網關設計簡單。它是在完成設備功能的基礎上加入一個ＣＡＮ通信控制器接口芯片，實現與ＣＡＮ總線網絡的連接。考慮到開發成本和靈活性，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總線收發器８２Ｃ２５０芯片。其結構如圖２所示。
�。玻睬度胧酵该鳎樱兀担簿W關設計
嵌入式透明網關設計是整個系統設計的核心。其結構如圖３所示。它由ＣＡＮ控制器協議轉換模塊和以太網控制器協議轉換模塊兩部分組成。網關硬件中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，指令執行速度可達１００ＭＩＰＳ。它可實現ＴＣＰ／ＩＰ協議棧中的ＡＲＰ、ＩＰ、ＵＤＰ、ＴＣＰ、ＨＴＴＰ、ＳＭＴＰ、ＩＣＭＰ等網絡協議。
�。茫粒慰刂破鲄f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總線收發器８２Ｃ２５０。其中ＳＸ５２為唯一的ＣＰＵ核心，負責ＳＪＡ１０００的初始化，通過讀寫ＳＪＡ１０００內部寄存器實現數據的接收、發送和錯誤處理等。ＰＣＡ８２Ｃ２５０則提供對總線的差動發送能力和對ＣＡＮ控制器的差動接收能力。
以太網控制器協議轉換模塊主要由微控制器ＳＸ５２、以太網通信控制器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以太網控制芯片，實現了基于Ｅｔｈｅｒｎｅｔ協議的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送功能。在網關設計中，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位數據線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口作為數據線連接ＲＴＬ８０１９ＡＳ的低８位數據線；Ａ口保留，用作日后擴展。圖３中
�。粒裕玻矗茫叮礊椋福耍拢牛牛校遥希�，主要用來保存嵌入式透明ＳＸ－５２網關的配置信息，如網關ＩＰ地址、ＭＡＣ地址和ＳＪＡ１０００的ＩＤ網絡標示符、網絡掩碼ＡＭＲ和總線定時（ＢＴＲ０、ＢＴＲ１）等。這樣，可以靈活方便地修改網關參數，適應不同環境，同時也考慮到以后的擴展。
ＲＴＬ８０１９ＡＳ除與ＳＸ５２連接外，還將其網絡收發器的４根引腳ＴＰＯＵＴ＋、ＴＰＯＵＴ－、ＴＰＩＮ＋、ＴＰＩＮ－通過外接的隔離濾波器ＦＢ２００２與以太網相連。采用隔離濾波器ＦＢ２００２是為了提高網絡通信的抗干擾能力。
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整個互聯系統的軟件設計可以分為三部分：ＣＡＮ總線設備接口通信程序、透明網關協議轉換程序和以太網層應用程序設計。其中，ＣＡＮ總線設備接口通信程序和透明網關協議轉換程序的ＣＡＮ控制器協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現的程序語言相異。因而，在此不作論述，而主要討論后兩個方面的程序設計。
�。常蓖该骶W關協議轉換程序
透明網關協議轉換程序的整體設計思路為：當以太網應用層有數據要發送到ＣＡＮ節點時，首先，數據發送到透明網關由以太網控制器協議轉換模塊從傳輸層數據報文中解析出完整的ＣＡＮ協議數據包，存放在數據緩沖區Ａ?再通知總調度模塊，由它調用ＣＡＮ控制器協議模塊將ＣＡＮ協議數據包發送到ＣＡＮ總線上。反過來，當ＣＡＮ設備有數據要發送到用戶層時，首先，數據發送到透明網關由ＣＡＮ控制器協議模塊將完整的ＣＡＮ協議數據包存放在數據緩沖區Ｂ?再通知總調度模塊，由它調用以太網控制器協議轉換模塊將完整的ＣＡＮ協議數據包作為應用層數據封裝起來，再發送到以太網的應用層。其程序結構如圖４所示。
�。常保保茫粒慰刂破鲄f議模塊
�。茫粒慰刂破鲄f議轉換模塊程序主要由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協議構建ＣＡＮ總線控制網絡，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的設置。初始化完成后，由總調度模塊監控ＳＪＡ１０００控制器。當ＣＡＮ總線上有數據到達時，它調用接收子程序ｒｘｄｓｕｂ（），把這一幀數據包存入數據緩沖區Ｂ中，然后釋放接收緩沖器。同樣，當有按ＣＡＮ２．０Ａ協議格式組合成的一幀數據報文在數據緩沖區Ａ中要發送到ＣＡＮ總線上去時，總調度模塊將調ＣＡＮ發送子程序ｔｘｄｓｕｂ（）發送。
�。常保惨蕴W控制器協議轉換模塊
以太網控制器協議轉換模塊主要負責從ＵＤＰ數據包中解析出完整ＣＡＮ協議報文，存入數據緩沖區Ａ。同時，可能將數據緩沖區Ｂ中的完整ＣＡＮ協議報文封裝成ＵＤＰ數據報，然后將其發送到以太網上。
在通信傳輸層采用ＵＤＰ協議是考慮到ＣＡＮ協議數據報為短幀形式（每個數據幀最多為８字節）。如果采用ＴＣＰ傳輸協議，要傳輸８字節ＣＡＮ協議數據，要先通過３次握手建立連接，再傳輸數據，之后還要通過握手釋放連接。這樣傳輸效率對有限的網絡資源來說無疑是一種浪費。而ＵＤＰ是無連接的傳輸，可以提高網絡傳輸效率，同時，也減輕網關的處理任務。當然，ＵＤＰ傳輸協議是不可靠的，對于控制網絡來說，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。
以太網控制器協議轉換模塊主要由以太網卡驅動、ＡＲＰ、ＵＤＰ協議的若干個ＡＰＩ函數組成，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。
系統首次執行或復位時，以太網控制器協議轉換模塊將首先調用ＮＩＣＩｎｉｔ()和ＵＤＰＡｐｐＩｎｉｔ()等進行ＮＩＣ、ＡＲＰ、ＩＰ、ＵＤＰ和應用程序的初始化。初始化完成后，即進入主循環。在主循環中，ＳＸ５２將反復檢測ＲＴＬ８０１９ＡＳ是否接收以太網幀。當有數據被接收時，ＳＸ５２調用ＮＩＣＤＭＡＩｎｉｔ()和ＮＩＣＲｅａｄＡｇａｉｎ()讀入以太網幀首部?再調用ＡＲＰＣｈｅｃｋＩｆＩｓ()判斷接收幀是否為ＡＲＰ數據。若是ＡＲＰ，則轉入ＡＲＰＳｅｎｄＲｅｓｐｏｎｓｅ()和ＡＲＰＳｅｎｄＳｔＰａｃｋｅｔ()子程序進行ＡＲＰ處理并發送響應ＡＲＰ數據報；若不是ＡＲＰ，則判斷是否為ＩＰ數據報。若非ＩＰ數據報則清除該以太網幀；當所接收幀包含ＩＰ數據報時，則需進一步判斷是ＩＣＭＰ數據報還是ＵＤＰ數據報文。若是ＩＣＭＰ數據報則執行ＩＣＭＰＰｒｏｃＰｋｔＩｎ()子程序處理ＩＣＭＰ數據報并重發ＩＰ數據報；若數據為ＵＤＰ數
據報文，則調用ＵＤＰＰｒｏｃＰｋｔＩｎ()子程序。該程序將讀入ＵＤＰ數據報文首部的數據并進行相應處理，還原出完整的ＣＡＮ協議數據報文存入數據緩沖區Ｂ中，再通知總調度程序，由總調度程序調用ＣＡＮ總線控制子程序將ＣＡＮ協議數據報文發往ＣＡＮ總線。
反過來，當總調度程序通知以太網控制器協議轉換模塊將數據緩沖區Ｂ中準備好的ＣＡＮ協議數據發送到以太網上時，它將調用ＮＩＣＩｎｉｔＴｘＦｒａｍｅ()、ＵＤＰＳｔａｒｔＰｋｔＯｕｔ()、ＩＰＧｅｎＣｈｅｃｋＳｕｍ()、ＩＰＳｔａｒｔＰｋｔＯｕｔ()、ＮＩＣＳｅｎｄＴｘＦｒａｍｅ()、ＵＤＰＥｎｄＰｋｔＯｕｔ()等子函數進行發送處理，從而實現ＣＡＮ總線到以太網的數據傳輸。
３．２以太網層應用程序設計
以太網上的通信協議一般采用ＴＣＰ／ＩＰ協議。本文采用流行的ＳＯＣＫＥＴ套接字編程，傳輸層協議選擇ＵＤＰ（用戶數據報協議），通過ＶｉｓｕａｌＣ＋＋編寫用戶層程序。
ＷｉｎＳｏｃｋ提供了對ＵＤＰ的支持，通過ＵＤＰ協議可以向指定ＩＰ地址的透明網關發送ＣＡＮ協議數據，同時也可以通過它接收ＣＡＮ協議數據。發送和接收方處于相同的地位沒有主次之分。利用ＣＡｓｙｎｃＳｏｃｋｅｔ類操縱無連接的數據發送較簡單。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?發送數據，ｉｎｔＣＡｓｙｎｃＳｏｃｋｅｔ??ＲｅｃｅｉｖｅＦｒｏｍ?ｖｏｉｄ?ｌｐＢｕｆ?ｉｎｔｎＢｕｆＬｅｎ?ＣＳｔｒｉｎｇ＆ｒＳｏｃｋｅｔＡｄｄｒｅｓｓ?ＵＩＮＴ＆ｒＳｏｃｋｅｔＰｏｒｔ?ｉｎｔｎＦｌａｇｓ＝０?接收數據。利用ＵＤＰ協議可以使管理主機和ＳＸ５２網關實現雙向的數據通信。同時，這種傳輸方式也易于使數據ＳＸ５２網關透明化。
本文介紹了一種低成本、高可靠性、快捷的ＣＡＮ總線與以太網互連方案。該互連方案保證管理監控層與生產測控層之間的連接，方便了上下層信息交流，滿足工廠、變電站等工業場合的應用要求。
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