CAN總線到Ethernet網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)研究實(shí)現(xiàn)
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CAN總線是一種開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的控制系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域中最具有應(yīng)用前景的技術(shù)之一。由于CAN總線具有通信速率高、開(kāi)放性好、報(bào)文短、糾錯(cuò)能力強(qiáng)以及控制簡(jiǎn)單、擴(kuò)展能力強(qiáng)、系統(tǒng)成本低等特點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。以太網(wǎng)具有快速、靈活、方便、可靠的特長(zhǎng)，如果把現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)互聯(lián)的話，可實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制中從設(shè)備層到管理層的一體化，使得企業(yè)可以廣泛地應(yīng)用如互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信、智能設(shè)備和決策支持系統(tǒng)等新技術(shù)，以達(dá)到提高效率和降低成本的目的。
硬件設(shè)計(jì)
硬件選擇
要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備接入Internet，關(guān)鍵就是要實(shí)現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議、以及傳輸信息介質(zhì)的選擇。筆者用SX52微控制器作為處理器， 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)芯片RTL8019AS經(jīng)耦合隔離濾波器HR61101G和RJ45接口接入以太網(wǎng)，配有RS232和CAN總線兩個(gè)擴(kuò)展接口，可以將具有RS232接口的設(shè)備或采用CAN總線協(xié)議通信的設(shè)備連到以太網(wǎng)上。RS232接口采用MAX232CPE芯片，CAN總線控制器采用Philips公司的SJA1000芯片，CAN收發(fā)器采用PCA82C250芯片。硬件結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。
圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖
工作原理為:當(dāng)以太網(wǎng)中發(fā)送數(shù)據(jù)和請(qǐng)求，通過(guò)RJ45送到RTL8019AS，RTL8019AS 負(fù)責(zé)將處理后的以太網(wǎng)幀送入SX52的TCP/IP協(xié)議棧，由協(xié)議棧對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行解析，得到原始的請(qǐng)求和控制信息。請(qǐng)求和控制信息再經(jīng)過(guò)SJA1000進(jìn)行CAN協(xié)議格式的數(shù)據(jù)封裝，然后和現(xiàn)場(chǎng)的CAN總線設(shè)備進(jìn)行通信。請(qǐng)求和控制的回復(fù)信息到局域網(wǎng)的過(guò)程與上面正好相反。
硬件電路圖
在CAN到Ethernet網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)中，在確保通信功能順利實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，充分利用了SX52芯片I/O口靈活配置的特點(diǎn)，最大程度地節(jié)約了微控制器SX52的硬件資源。其電路簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。
圖2 電路簡(jiǎn)圖
SX52有5個(gè)I/O口共40個(gè)引腳，在設(shè)計(jì)中利用SX52的C口的RC0～RC7連接RTL8019AS的數(shù)據(jù)口SD0～SD7，SX52的B口兼顧選址和讀寫(xiě)控制功能，在開(kāi)發(fā)中用它與RTL8019AS 的地址及讀寫(xiě)控制引腳連接。RTL8019AS 基地址選擇引腳IOS0～ IOS3接地，此時(shí)I/O基地址為300H，即001100000000，所以地址線SA9、SA8接+ 5V。又因?yàn)榧拇嫫鞯刂菲屏繛?0H～1FH 共32個(gè)，對(duì)應(yīng)地址從300H到31FH，所以只需將地址線SA0～SA4接SX52 的RB0～RB4，其余地址線接地即可。芯片IORB、IOWB引腳為讀寫(xiě)信號(hào)線，接SX52的RB6、RB5讀寫(xiě)控制引腳。RTL8019AS 可以兼容8位和16位操作。圖2中IOCS16是16位I/O的選擇腳，當(dāng)RTL8019AS上電復(fù)位的時(shí)候，如果這個(gè)腳為低電平，選擇8位模式，為高電平選擇16位模式。由于SX52是8位的數(shù)據(jù)總線，因此要用8位總線模式，所以將這個(gè)腳接地。RTL8019AS有3種工作方式，筆者采用第一種工作方式，此時(shí)JP 引腳接高電平。AUI引腳決定使用AUI還是BNC接口。高電平時(shí)使用AUI 接口，低電平時(shí)使用BNC接口，支持8線雙絞線或同軸電纜。設(shè)計(jì)中采用雙絞線為通信介質(zhì)，將該引腳接地。RTL8019AS 使用引腳TPIN+ 、TPIN- 、TPOUT+和TPOUT-連接耦合隔離濾波器HR61101G，通過(guò)RJ45插頭實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的連接。SJA1000是獨(dú)立的CAN 通信控制器， 支持CAN2.0B協(xié)議。它的AD0～AD7為地址數(shù)據(jù)復(fù)用線，與SX52的D口RD0～RD7相連。當(dāng)遠(yuǎn)程用戶通過(guò)Web服務(wù)器查詢現(xiàn)場(chǎng)的CAN總線數(shù)據(jù)時(shí)，SJA1000將現(xiàn)場(chǎng)控制單元的CAN 總線數(shù)據(jù)解析，發(fā)送到SX52，再傳到Internet。PCA82C250對(duì)總線提供發(fā)送能力并對(duì)CAN控制器提供接收能力，它支持1Mbps的速度。為保證SX52與SJA1000協(xié)同工作，在硬件設(shè)計(jì)中將兩個(gè)芯片共用一個(gè)硬件復(fù)位線，以確保SX52與SJA1000硬件同步復(fù)位。MAX232CPE完成232電平與TTL電平轉(zhuǎn)換。用于提供一個(gè)本地接口，為調(diào)試和維護(hù)提供方便。TXD接SX52的RA2腳，RXD接SX52的RA3腳，RS―RXD和RS―TXD是RS232電平，為標(biāo)準(zhǔn)串口電平。數(shù)據(jù)可以從串口輸入到單片機(jī)SX52，SX52再把數(shù)據(jù)送到RTL8019AS。
網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為3個(gè)部分:CAN總線設(shè)備接口通信程序、網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序和基于以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議的程序?qū)崿F(xiàn)。
網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序
網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序的整體設(shè)計(jì)思路為:當(dāng)以太網(wǎng)應(yīng)用層有數(shù)據(jù)要發(fā)送到CAN節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先，數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，由以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊從UDP數(shù)據(jù)報(bào)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，再調(diào)用CAN 控制器協(xié)議模塊將它發(fā)送到CAN 總線上。反過(guò)來(lái)，當(dāng)CAN 設(shè)備有數(shù)據(jù)要發(fā)送到用戶層時(shí)，首先數(shù)據(jù)發(fā)送到網(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)封裝發(fā)送到以太網(wǎng)應(yīng)用層。
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