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CAN總線與以太網(wǎng)互連系統(tǒng)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總線網(wǎng)絡協(xié)議轉換的軟硬件設計，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。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，筆者設計一種單獨的ＣＡＮ以太網(wǎng)網(wǎng)關互連系統(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)結構
系統(tǒng)總體結構分為三部分：現(xiàn)場測控網(wǎng)絡（ＣＡＮ網(wǎng)絡）、嵌入式透明ＳＸ５２網(wǎng)關、以太網(wǎng)信息管理終端（如監(jiān)控平臺和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫等），如圖１所示。
ＣＡＮ總線是一個設備互連總線型控制網(wǎng)絡。在ＣＡＮ總線上可以掛接多達１１０個設備節(jié)點，各設備間可以自主相互通信，實現(xiàn)復雜網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。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(shù)據(jù)網(wǎng)關。嵌入式透明ＳＸ５２網(wǎng)關就是為此而設計的。
透明式網(wǎng)關在以太網(wǎng)應用層構建和解析完整的ＣＡＮ協(xié)議數(shù)據(jù)包。ＣＡＮ協(xié)議數(shù)據(jù)包作為ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡應用層的數(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，將ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議包數(shù)據(jù)轉換為ＣＡＮ協(xié)議形式發(fā)送至ＣＡＮ控制網(wǎng)絡中的指定設備節(jié)點，完成信息管理層對現(xiàn)場設備層的控制。同樣地，當ＣＡＮ網(wǎng)絡上的設備數(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，再通過網(wǎng)關協(xié)議轉換程序將ＣＡＮ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計的用戶層應用軟件。它可以是一個ＷＩＮ３２監(jiān)控程序或網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫（記錄ＣＡＮ節(jié)點設備數(shù)據(jù)）軟件等；甚至可能是ＣＡＮ節(jié)點設備的服務器軟件，為設備提供較復雜的數(shù)據(jù)處理工作。
２ 硬件設計
系統(tǒng)硬件分為兩大部分：ＣＡＮ總線網(wǎng)絡設備接口設計和嵌入式透明ＳＸ５２網(wǎng)關設計。
２．１ ＣＡＮ總線網(wǎng)絡設備接口設計
ＣＡＮ總線網(wǎng)絡設備接口設計較網(wǎng)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(xiàn)與ＣＡＮ總線網(wǎng)絡的連接�？紤]到開發(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)關設計
嵌入式透明網(wǎng)關設計是整個系統(tǒng)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１００ ＭＩＰＳ。它可實現(xiàn)ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧中的ＡＲＰ、ＩＰ、ＵＤＰ、ＴＣＰ、ＨＴＴＰ、ＳＭＴＰ、ＩＣＭＰ等網(wǎng)絡協(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(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８ＫＢ ＥＥＰＲＯＭ，主要用來保存嵌入式透明ＳＸ－５２網(wǎng)關的配置信息，如網(wǎng)關ＩＰ地址、ＭＡＣ地址和ＳＪＡ１０００的ＩＤ網(wǎng)絡標示符、網(wǎng)絡掩碼ＡＭＲ和總線定時（ＢＴＲ０、ＢＴＲ１）等。這樣，可以靈活方便地修改網(wǎng)關參數(shù)，適應不同環(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)絡通信的抗干擾能力。
３ 軟件設計
整個互聯(lián)系統(tǒng)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(wǎng)關協(xié)議轉換程序和以太網(wǎng)層應用程序設計。其中，ＣＡＮ總線設備接口通信程序和透明網(wǎng)關協(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計。
３．１ 透明網(wǎng)關協(xié)議轉換程序
透明網(wǎng)關協(xié)議轉換程序的整體設計思路為：當以太網(wǎng)
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