CAN总线与以太网互连系统设计

摘要：介绍了一种基于单片机ＳＸ５２的ＣＡＮ与以太网互连方案，阐述了以太网和ＣＡＮ总线网络协议转换的软硬件设计，实现了以太网与现有ＣＡＮ总线网的直接连接。保证管理监控层（以太网）与生产测控层（ＣＡＮ总线网）之间的连接，使得上下层数据能方便地通信。 关键词：现场总线 CAN总线 以太网 在大型企业自动化系统中，上层企业管理层和生产监控层一般都采用以太网和ＰＣ机，而下层车间现场则采用现场总线和单片机测控设备。上下两层的沟通，通常采用工业控制机加以太网卡，再加上ＰＣ机插槽上的接口卡或并行打印口的ＥＰＰ接口卡实现。这种连接方式成本高，开发周期长。针对这种情况，笔者设计一种单独的ＣＡＮ以太网网关互连系统，成功地实现以太网与现有ＣＡＮ总线网的直接数据互联。 １ 系统结构 系统总体结构分为三部分：现场测控网络（ＣＡＮ网络）、嵌入式透明ＳＸ５２网关、以太网信息管理终端（如监控平台和网络数据库等），如图１所示。 ＣＡＮ总线是一个设备互连总线型控制网络。在ＣＡＮ总线上可以挂接多达１１０个设备节点，各设备间可以自主相互通信，实现复杂网络控制系统。但设备信息层无法直接到达信息管理层，要想设备信息进入信息管理层需通过数据网关。嵌入式透明ＳＸ５２网关就是为此而设计的。 透明式网关在以太网应用层构建和解析完整的ＣＡＮ协议数据包。ＣＡＮ协议数据包作为ＴＣＰ／ＩＰ网络应用层的数据进行传输，它对通信数据的具体实际意义不做任何解释。透明式网关由通信处理器、ＣＡＮ总线控制器和以太网控制器三部分组成。其中ＳＸ５２单片机为核心处理器，它实现了ＣＡＮ控制网络与以太网之间的协议转换。以太网信息管理层的控制指令发送到嵌入式透明ＳＸ５２网关，将ＴＣＰ／ＩＰ协议包数据转换为ＣＡＮ协议形式发送至ＣＡＮ控制网络中的指定设备节点，完成信息管理层对现场设备层的控制。同样地，当ＣＡＮ网络上的设备数据（如定时采样数据或报警信息）要传输到信息管理层时，可将数据发送到嵌入式透明ＳＸ５２网关，再通过网关协议转换程序将ＣＡＮ协议数据封装成ＴＣＰ／ＩＰ协议的以太网数据帧发送至以太网上的监控计算机。 以太网信息管理终端是一个根据用户的具体要求而设计的用户层应用软件。它可以是一个ＷＩＮ３２监控程序或网络数据库（记录ＣＡＮ节点设备数据）软件等；甚至可能是ＣＡＮ节点设备的服务器软件，为设备提供较复杂的数据处理工作。 ２ 硬件设计 系统硬件分为两大部分：ＣＡＮ总线网络设备接口设计和嵌入式透明ＳＸ５２网关设计。 ２．１ ＣＡＮ总线网络设备接口设计 ＣＡＮ总线网络设备接口设计较网关设计简单。它是在完成设备功能的基础上加入一个ＣＡＮ通信控制器接口芯片，实现与ＣＡＮ总线网络的连接。考虑到开发成本和灵活性，笔者在设计中选用ＰＨＩＬＩＰＨＳ公司的独立ＣＡＮ通信控制器ＳＪＡ１０００芯片和ＣＡＮ总线收发器８２Ｃ２５０芯片。其结构如图２所示。 ２．２ 嵌入式透明ＳＸ５２网关设计 嵌入式透明网关设计是整个系统设计的核心。其结构如图３所示。它由ＣＡＮ控制器协议转换模块和以太网控制器协议转换模块两部分组成。网关硬件中ＳＸ５２微处理器起核心作用。它是由美国Ｕｂｉｃｏｍ公司研制的高速可配置通信控制器，其处理速度相当高。在外接１００ＭＨｚ时钟时，指令执行速度可达１００ ＭＩＰＳ。它可实现ＴＣＰ／ＩＰ协议栈中的ＡＲＰ、ＩＰ、ＵＤＰ、ＴＣＰ、ＨＴＴＰ、ＳＭＴＰ、ＩＣＭＰ等网络协议。 ＣＡＮ控制器协议转换模块硬件电路原理如图３左框图。它由三部分组成：微控制器ＳＸ５２、独立ＣＡＮ通信控制器ＳＪＡ１０００、ＣＡＮ总线收发器８２Ｃ２５０。其中ＳＸ５２为唯一的ＣＰＵ核心，负责ＳＪＡ１０００的初始化，通过读写ＳＪＡ１０００内部寄存器实现数据的接收、发送和错误处理等。ＰＣＡ８２Ｃ２５０则提供对总线的差动发送能力和对ＣＡＮ控制器的差动接收能力。 以太网控制器协议转换模块主要由微控制器ＳＸ５２、以太网通信控制器ＲＴＬ８０１９ＡＳ和隔离滤波器ＦＢ２００２组成。ＲＴＬ８０１９ＡＳ是台湾Ｒｅａｌｔｅｋ公司制造的一种高集成度的全双工１０Ｍｂｐｓ以太网控制芯片，实现了基于Ｅｔｈｅｒｎｅｔ协议的ＭＡＣ层的全部功能，内置１６ＫＢ的ＳＲＡＭ、双ＤＭＡ通道和ＦＩＦＯ完成数据包的接收和发送功能。在网关设计中，使用跳线模式（ＪＰ置为高）硬配置ＲＴＬ８０１９ＡＳ为８位模式。使用ＲＴＬ８０１９的低５位地址线Ａ０～Ａ４以及低８位数据线Ｄ０～Ｄ７。ＳＸ５２的Ｂ口的Ｂ０～Ｂ４脚作为地址线连接ＲＴＬ８０１９ＡＳ的低５位地址线，Ｂ５～Ｂ７作为控制线分别连接读写时序控制脚ＩＯＲＢ、ＩＯＷＢ、ＩＯＣＨＲＤＹ；Ｃ口作为数据线连接ＲＴＬ８０１９ＡＳ的低８位数据线；Ａ口保留，用作日后扩展。图３中ＡＴ２４Ｃ６４为８ＫＢ ＥＥＰＲＯＭ，主要用来保存嵌入式透明ＳＸ－５２网关的配置信息，如网关ＩＰ地址、ＭＡＣ地址和ＳＪＡ１０００的ＩＤ网络标示符、网络掩码ＡＭＲ和总线定时（ＢＴＲ０、ＢＴＲ１）等。这样，可以灵活方便地修改网关参数，适应不同环境，同时也考虑到以后的扩展。 ＲＴＬ８０１９ＡＳ除与ＳＸ５２连接外，还将其网络收发器的４根引脚ＴＰＯＵＴ＋、ＴＰＯＵＴ－、ＴＰＩＮ＋、ＴＰＩＮ－通过外接的隔离滤波器ＦＢ２００２与以太网相连。采用隔离滤波器ＦＢ２００２是为了提高网络通信的抗干扰能力。 ３ 软件设计 整个互联系统的软件设计可以分为三部分：ＣＡＮ总线设备接口通信程序、透明网关协议转换程序和以太网层应用程序设计。其中，ＣＡＮ总线设备接口通信程序和透明网关协议转换程序的ＣＡＮ控制器协议模块在结构上有较大的相似性，但有可能因采用微控制器不同而导致实现的程序语言相异。因而，在此不作论述，而主要讨论后两个方面的程序设计。 ３．１ 透明网关协议转换程序 透明网关协议转换程序的整体设计思路为：当以太网应用层有数据要发送到ＣＡＮ节点时，首先，数据发送到透明网关由以太网控制器协议转换模块从传输层数据报文中解析出完整的ＣＡＮ协议数据包，存放在数据缓冲区Ａ再通知总调度模块，由它调用ＣＡＮ控制器协议模块将ＣＡＮ协议数据包发送到ＣＡＮ总线上。反过来，当ＣＡＮ设备有数据要发送到用户层时，首先，数据发送到透明网关由ＣＡＮ控制器协议模块将完整的ＣＡＮ协议数据包存放在数据缓冲区Ｂ再通知总调度模块，由它调用以太网控制器协议转换模块将完整的ＣＡＮ协议数据包作为应用层数据封装起来，再发送到以太网的应用层。其程序结构如图４所示。 ３．１．１ ＣＡＮ控制器协议模块 ＣＡＮ控制器协议转换模块程序主要由ＳＪＡ１０００的寄存器读程序ＣＡＮＲｅａｄ（）、写程序ＣＡＮＷｒｉｔｅ（）、初始化程序ＣＡＮＩｎｉｔ（）、发送程序ｔｘｄｓｕｂ（）、接收程序ｒｘｄｓｕｂ（）程序组成。之所以要编写单独的ＳＪＡ１０００的寄存器读、写子程序，这是由ＳＸ５２芯片只有Ｉ／Ｏ端口决定的。 选用ＣＡＮ２．０Ａ协议构建ＣＡＮ总线控制网络，对ＳＪＡ１０００的初始化主要完成控制寄存器ＣＲ、验收代码寄存器ＡＣＲ、验收屏蔽寄存器ＡＭＲ、总线定时寄存器ＢＴＲ０，１和输出控制寄存器ＯＣＲ的设置。初始化完成后，由总调度模块监控ＳＪＡ１０００控制器。当ＣＡＮ总线上有数据到达时，它调用接收子程序ｒｘｄｓｕｂ（），把这一帧数据包存入数据缓冲区Ｂ中，然后释放接收缓冲器。同样，当有按ＣＡＮ２．０Ａ协议格式组合成的一帧数据报文在数据缓冲区Ａ中要发送到ＣＡＮ总线上去时，总调度模块将调ＣＡＮ发送子程序ｔｘｄｓｕｂ（）发送。 ３．１．２ 以太网控制器协议转换模块 以太网控制器协议转换模块主要负责从ＵＤＰ数据包中解析出完整ＣＡＮ协议报文，存入数据缓冲区Ａ。同时，可能将数据缓冲区Ｂ中的完整ＣＡＮ协议报文封装成ＵＤＰ数据报，然后将其发送到以太网上。 在通信传输层采用ＵＤＰ协议是考虑到ＣＡＮ协议数据报为短帧形式（每个数据帧最多为８字节）。如果采用ＴＣＰ传输协议，要传输８字节ＣＡＮ协议数据，要先通过３次握手建立连接，再传输数据，之后还要通过握手释放连接。这样传输效率对有限的网络资源来说无疑是一种浪费。而ＵＤＰ是无连接的传输，可以提高网络传输效率，同时，也减轻网关的处理任务。当然，ＵＤＰ传输协议是不可靠的，对于控制网络来说，是不允许的。为了提高通信的可靠性，采用了回传校验机制。通过实验测试表明这种方式是行之有效的。 以太网控制器协议转换模块主要由以太网卡驱动、ＡＲＰ、ＵＤＰ协议的若干个ＡＰＩ函数组成，如ＮＩＣＩｎｉｔ（）、ＮＩＣＤＭＡＩｎｉｔ（）、ＮＩＣＩｎｉｔＴｘＦｒａｍｅ（）、ＮＩＣＳｅｎｄＴｘＦｒａｍｅ（）、ＮＩＣＲｅａｄＡｇａｉｎ（）、ＡＲＰＣｈｅｃｋＩｆＩｓ（）、ＡＲＰＳｅｎｄＲｅｓｐｏｎｓｅ（）、ＡＲＰＳｅｎｄＳｔＰａｃｋｅｔ（）、ＩＣＭＰＰｒｏｃＰｋｔＩｎ（）、ＵＤＰＡｐｐＩｎｉｔ（）、ＩＰＧｅｎＣｈｅｃｋＳｕｍ（）、、ＵＤＰＡｐｐＰｒｏｃＰｋｔＩｎ（）、ＵＤＰＳｔａｒｔＰｋｔＯｕｔ（）和ＵＤＰＥｎｄＰｋｔＯｕｔ（）等。所使用的变量有：ｒｅｍｏｔｅＩＰ[３:０]、ｍｙＩＰ[３:０]、ＵＤＰＲｘＳｒｃＰｏｒｔＭＳＢ、ＵＤＰＲｘＳｒｃＰｏｒｔＬＳＢ、ＵＤＰＲｘＤａｔａＬｅｎＭＳＢ、ＵＤＰＲｘＤａｔａＬｅｎＬＳＢ、ＵＤＰＴｘＳｒｃＰｏｒｔＭＳＢ,ＵＤＰＴｘＳｒｃＰｏｒｔＬＳＢ、ＵＤＰＴｘＤｅｓｔＰｏｒｔＭＳＢ、ＵＤＰＴｘＤｅｓｔＰｏｒｔＬＳＢ、ＤＰＴｘＤａｔａＬｅｎＭＳＢ, ＵＤＰＴｘＤａｔａＬｅｎＬＳＢ等。 系统首次执行或复位时，以太网控制器协议转换模块将首先调用ＮＩＣＩｎｉｔ()和ＵＤＰＡｐｐＩｎｉｔ()等进行ＮＩＣ、ＡＲＰ、ＩＰ、ＵＤＰ和应用程序的初始化。初始化完成后，即进入主循环。在主循环中，ＳＸ５２将反复检测ＲＴＬ８０１９ＡＳ是否接收以太网帧。当有数据被接收时，ＳＸ５２调用ＮＩＣＤＭＡＩｎｉｔ()和ＮＩＣＲｅａｄＡｇａｉｎ()读入以太网帧首部再调用ＡＲＰＣｈｅｃｋＩｆＩｓ()判断接收帧是否为ＡＲＰ数据。若是ＡＲＰ，则转入ＡＲＰＳｅｎｄＲｅｓｐｏｎｓｅ()和ＡＲＰＳｅｎｄＳｔＰａｃｋｅｔ()子程序进行ＡＲＰ处理并发送响应ＡＲＰ数据报；若不是ＡＲＰ，则判断是否为ＩＰ数据报。若非ＩＰ数据报则清除该以太网帧；当所接收帧包含ＩＰ数据报时，则需进一步判断是ＩＣＭＰ数据报还是ＵＤＰ数据报文。若是ＩＣＭＰ数据报则执行ＩＣＭＰＰｒｏｃＰｋｔＩｎ()子程序处理ＩＣＭＰ数据报并重发ＩＰ数据报；若数据为ＵＤＰ数据报文，则调用ＵＤＰＰｒｏｃＰｋｔＩｎ()子程序。该程序将读入ＵＤＰ数据报文首部的数据并进行相应处理，还原出完整的ＣＡＮ协议数据报文存入数据缓冲区Ｂ中，再通知总调度程序，由总调度程序调用ＣＡＮ总线控制子程序将ＣＡＮ协议数据报文发往ＣＡＮ总线。 反过来，当总调度程序通知以太网控制器协议转换模块将数据缓冲区Ｂ中准备好的ＣＡＮ协议数据发送到以太网上时，它将调用ＮＩＣＩｎｉｔＴｘＦｒａｍｅ()、ＵＤＰＳｔａｒｔＰｋｔＯｕｔ()、ＩＰＧｅｎＣｈｅｃｋＳｕｍ()、ＩＰＳｔａｒｔＰｋｔＯｕｔ()、ＮＩＣＳｅｎｄＴｘＦｒａｍｅ()、ＵＤＰＥｎｄＰｋｔＯｕｔ()等子函数进行发送处理，从而实现ＣＡＮ总线到以太网的数据传输。 ３．２ 以太网层应用程序设计 以太网上的通信协议一般采用ＴＣＰ／ＩＰ协议。本文采用流行的ＳＯＣＫＥＴ套接字编程，传输层协议选择ＵＤＰ（用户数据报协议），通过Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋编写用户层程序。 ＷｉｎＳｏｃｋ提供了对ＵＤＰ的支持，通过ＵＤＰ协议可以向指定ＩＰ地址的透明网关发送ＣＡＮ协议数据，同时也可以通过它接收ＣＡＮ协议数据。发送和接收方处于相同的地位没有主次之分。利用ＣＡｓｙｎｃＳｏｃｋｅｔ类操纵无连接的数据发送较简单。首先生成一个本地套接口（需要指明ＳＯＣＫ＿ＤＧＲＡＭ标记）；然后利用 ｉｎｔ ＣＡｓｙｎｃＳｏｃｋｅｔＳｅｎｄＴｏ ｃｏｎｓｔ ｖｏｉｄ ｌｐＢｕｆ ｉｎｔ ｎＢｕｆＬｅｎＵＩＮＴ ｎＨｏｓｔＰｏｒｔ ＬＰＣＴＳＴＲ ｌｐｓｚＨｏｓｔＡｄｄｒｅｓｓ ＝ ＮＵＬＬｉｎｔ ｎＦｌａｇｓ ＝ ０发送数据，ｉｎｔ ＣＡｓｙｎｃＳｏｃｋｅｔＲｅｃｅｉｖｅＦｒｏｍｖｏｉｄ ｌｐＢｕｆｉｎｔ ｎＢｕｆＬｅｎＣＳｔｒｉｎｇ＆ ｒＳｏｃｋｅｔＡｄｄｒｅｓｓＵＩＮＴ＆ ｒＳｏｃｋｅｔＰｏｒｔｉｎｔ ｎＦｌａｇｓ ＝ ０ 接收数据。利用ＵＤＰ协议可以使管理主机和ＳＸ５２网关实现双向的数据通信。同时，这种传输方式也易于使数据ＳＸ５２网关透明化。 本文介绍了一种低成本、高可靠性、快捷的ＣＡＮ总线与以太网互连方案。该互连方案保证管理监控层与生产测控层之间的连接，方便了上下层信息交流，满足工厂、变电站等工业场合的应用要求。