CAN總線互連中網(wǎng)關的設計與實現(xiàn)

摘要： 本文系統(tǒng)地研究了CAN總線與以太網(wǎng)互連的技術要點，首先分析互連技術在實現(xiàn)過程中遇到的難點――協(xié)議轉換。然后提出了一種CAN總線與以太網(wǎng)系統(tǒng)互連設計方案，并詳細闡述了其系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)方法。為了提高系統(tǒng)的性能，采用高速微控制器SX52來設計嵌入式透明網(wǎng)關，詳細介紹了用SX52在TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)的方法，以SX52較強的網(wǎng)絡協(xié)議處理能力保證了整個系統(tǒng)性能的提升。
關鍵詞:CAN，協(xié)議轉換，網(wǎng)關，SX52

The gist of CAN bus and internet ethernet network technology are discussed in this paper.First,We analyse difficulty when the protocol was transformed. Second,we put forward a systemic design schema and implementation. In order to improve system performance,We select SX52 with high speed micro-controler to design embedded gateway.at the same time ,we introduce how to use SX52 to realize TCP/IP protocol and improve the performance of network processor so that system can work well.

Keyword: CAN FieldBus ，Protocol conversion,Gateway,SX52

1 引言

科技和社會的發(fā)展，使20世紀末的全球化市場競爭空前激烈。競爭中的企業(yè)逐漸開始實施計算機集成制造系統(tǒng)，采用系統(tǒng)集成、信息集成的觀點來組織工業(yè)生產(chǎn)。在這個系統(tǒng)中，為實現(xiàn)現(xiàn)場智能設備之間的多點數(shù)字通信，計算機測控技術與計算機網(wǎng)絡緊密地結合在一起，產(chǎn)生了能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行、性能可靠、造價低廉的現(xiàn)場總線(FieldBus)技術。

現(xiàn)場總線是用于生產(chǎn)制造現(xiàn)場的最底層通信網(wǎng)絡，它實現(xiàn)了微機化的現(xiàn)場測量控制儀器或設備之間的雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信?，F(xiàn)場總線技術的關鍵是使自動控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設備具備通信能力，將它們連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡與控制系統(tǒng)的集成。作為網(wǎng)絡系統(tǒng)，它具有開放統(tǒng)一的通信協(xié)議。CAN總線就是現(xiàn)場總線技術在工業(yè)應用中形成的一個成熟技術標準。它的協(xié)議建立在ISO/OSI模型基礎之上，但只采用了該模型底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應用層。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)控層一般采用的都是以太網(wǎng)和PC機，而在下層車間現(xiàn)場都是采用現(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接口卡來實現(xiàn)。這種連接方式成本高，開發(fā)周期長。針對這種情況，我們設計一種單獨的CAN以太網(wǎng)網(wǎng)關互連系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)以太網(wǎng)和現(xiàn)有CAN總線網(wǎng)的直接數(shù)據(jù)互聯(lián)。

2 系統(tǒng)總體設計

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就要通過一種數(shù)據(jù)網(wǎng)關。

這里我們設計了一個SX52網(wǎng)關用于CAN總線與以太網(wǎng)的互連。系統(tǒng)總體分為三部分：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）。以太網(wǎng)信息管理終端與CAN總線上的CAN節(jié)點通過ETHERNET，SX52網(wǎng)關，CANBUS相互通信，其中SX52網(wǎng)關起到核心的異構網(wǎng)絡的互連作用。

協(xié)議轉換是異構網(wǎng)絡互連的技術關鍵和難點，協(xié)議轉換一般可采用分層轉換的方法，自低向上逐層進行。目前互連大都是在網(wǎng)際層或網(wǎng)絡層展開的，因而必須對互連層以下各層協(xié)議逐層向上轉換，這種轉換方法的依據(jù)是協(xié)議分層的基本原理：即低層支持高層，高層調用低層，低層斷開連接后，高層連接也隨之斷開，但高層斷開連接卻不會影響低層。從網(wǎng)絡的分層結構上來看，我們設計的互連系統(tǒng)具有如圖一所示的分層結構。以太網(wǎng)上運行TCP/IP協(xié)議，它具有應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層；CAN總線具有應用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其中應用層由用戶自己定義，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層由CAN協(xié)議所定義；SX52數(shù)據(jù)網(wǎng)關具有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，其應用層也就是ETHERNET與CAN的信息數(shù)據(jù)交換層，SX52微控制器在此層相互解釋并轉發(fā)這兩種不同協(xié)議的數(shù)據(jù)。

圖 一 CAN總線與以太網(wǎng)互連的網(wǎng)絡分層結構

在本設計中，SX52網(wǎng)關被設計成了一個透明數(shù)據(jù)網(wǎng)關，也就是在以太網(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。之所以把數(shù)據(jù)網(wǎng)關設計成透明式，是基于以下三個方面的考慮：1）透明式網(wǎng)關設計相對不透明網(wǎng)關來說較簡單，在硬件上無須擴展大容量的數(shù)據(jù)存儲器用于緩存通信數(shù)據(jù)；軟件上也不用考慮數(shù)據(jù)的聚集和分發(fā)處理，降低了程序設計的復雜度、提高了通信的速度和實時性。2）透明式網(wǎng)關的適應性強，它可以應用于不同的項目要求，而不透明網(wǎng)關則要根據(jù)不同要求對網(wǎng)關程序作出不同的修改。3）因為協(xié)議轉換設計簡單，沒有較多復雜處理，從而提高了通信的可靠性。

CAN總線網(wǎng)絡的最大通信速率為1Mpbs，而以太網(wǎng)現(xiàn)在一般為10Mbps。這里就需考慮兩者之間的速度匹配問題，這里可以從兩個方面解決這個問題：一是在網(wǎng)關上使用較大的RAM，用來作為通信數(shù)據(jù)緩沖器，提高網(wǎng)路傳輸?shù)男?。二是限制以太網(wǎng)向CAN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，使它小于CAN總線的通信速率。

3 CAN協(xié)議分析

CAN是遵從OSI模型，按照OSI基準模型，CAN結構劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。按照IEEE802.2和802.3標準，數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為：

――邏輯鏈路控制（LLC）

――媒體訪問控制（MAC）

物理層又劃分為：

――物理信令（PLS）

――物理媒體附屬裝置（PMA）

――媒體相關接口（MDI）

MAC子層運行借助稱之為“故障界定實體(FCE)”的管理實體進行監(jiān)控。故障界定是使判別短暫干擾和永久性故障成為可能的一種自檢機制。物理層可借助檢測和管理物理媒體故障實體進行監(jiān)控（例如總線短路或中斷，總線故障管理）。LLC和MAC兩個同等的協(xié)議實體通過交換幀或協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU―Protocol Data Unit）相互通信。

LLC子層提供的功能包括：幀接收濾波、超載通告和恢復管理。其中，超載通告功能是如果接收器內部條件要求延遲下一個LLC數(shù)據(jù)幀或LLC遠程幀，則通過LLC子層開始發(fā)送超載幀最多可產(chǎn)生兩個超載幀，以延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀。

按照網(wǎng)絡的OSI七層模型來看，CAN總線網(wǎng)絡完成了最下面兩層協(xié)議的工作，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，它們由CAN控制器的硬件實現(xiàn)電平轉換和幀的封裝。在實際應用中，還需要建立自己的上層協(xié)議。這里設計了一種簡單實用的“命令項+數(shù)據(jù)項”結構，其完整數(shù)據(jù)幀結構如圖二所示。

圖 二 應用層幀結構

考慮到工業(yè)控制中的功能一般不多，因此命令項的長度設定為1BYTE（可以描述256種命令）。在數(shù)據(jù)項里設置數(shù)據(jù)長度是考慮到CAN總線是短幀傳送（數(shù)據(jù)幀，每幀數(shù)據(jù)只有8BYTE），有的命令所需的數(shù)據(jù)參數(shù)可能大于7BYTE，同時很有可能返回的數(shù)據(jù)也較大，所以，這里設置一個字節(jié)的數(shù)據(jù)長度項，就可使用戶定義數(shù)據(jù)幀長度達到256字節(jié)。

4 SX52的TCP/IP協(xié)議棧的設計

ARP協(xié)議可以實現(xiàn)邏輯地址到物理地址的動態(tài)映射。以太網(wǎng)接口支持一個唯一的48-bit的物理地址。在SX52中，ARP協(xié)議是通過一個“IP地址對應以太網(wǎng)地址”的單登記核實現(xiàn)。當遠程主機需要知道它的物理地址時，遠程主機會向它發(fā)送ARP請求，這時它就會響應這個遠程主機的請求，告訴對方自己的物理地址。當應用層需要傳輸IP數(shù)據(jù)包時，SX52 ARP協(xié)議也可以請求遠程目的物理地址。

要傳輸?shù)腎nternet數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)控制器的發(fā)送緩沖區(qū)中被構建，它使用最近接收到的數(shù)據(jù)包的目的以太網(wǎng)地址作為發(fā)送數(shù)據(jù)包的目的地址。當然，這可能不是正確的以太網(wǎng)地址，因此，在實際發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，ARP協(xié)議將檢查發(fā)送數(shù)據(jù)包中的IP地址是否存在于ARP核中，如果發(fā)送數(shù)據(jù)包中的IP地址在這個核中，在以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包將使用ARP核中的以太網(wǎng)地址更新，如果不在，則ARP協(xié)議將發(fā)送一個ARP請求包，然后等待一個應答。一旦這個ARP應答接收到，這個ARP核將使用剛接收到的目標以太網(wǎng)地址更新，接著，等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包也將使用這個以太網(wǎng)地址更新，然后被發(fā)送出去。如果發(fā)送的ARP請求包沒有應答，導致ARP定時器超時，這是等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包將被廢棄，正常的協(xié)議棧繼續(xù)運行。

IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)報格式傳輸。IP提供不可靠、無連接的數(shù)據(jù)報傳送服務，不能保證IP數(shù)據(jù)報成功地到達目的地。如果發(fā)生某種錯誤時，如某個路由器暫時用完了緩沖區(qū)，IP有一個簡單的錯誤處理算法：丟棄該數(shù)據(jù)報，然后發(fā)送ICMP 消息報給信源端。任何要求的可靠性必須由上層來提供。無連接的意思是IP并不維護任何關于后續(xù)數(shù)據(jù)報的狀態(tài)信息，每個數(shù)據(jù)報的處理是相互獨立的。這也說明，IP數(shù)據(jù)報可以不按發(fā)送順序接收。在本設計中，IP協(xié)議是針對特殊的應用環(huán)境下的合理簡化。CAN總線的控制網(wǎng)絡是一種短幀、實時網(wǎng)絡，所以，IP數(shù)據(jù)包無須分片（MF=DF=0），同時,設置IP服務類型為一般類型，其頭長為20字節(jié)，首部長度字段為5，壽命TTL設置為64。

TCP向應用層提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務。在面向工業(yè)控制上的應用時，可以對復雜的TCP協(xié)議做合理的簡化，因為CAN網(wǎng)絡傳輸速度較快，數(shù)據(jù)量小且l0Mpbs的以太網(wǎng)傳輸一般不會發(fā)生阻塞，以太網(wǎng)上的主機也會有足夠的能力及時處理通信數(shù)據(jù)。所以可以固定超時與重傳的時間為5s，此外RTL8019AS上有兩個1500字節(jié)的接收緩沖區(qū)，且CAN網(wǎng)絡為控制網(wǎng)，信息量小，所以可以固定接受窗口為1400字節(jié)。設計中采用一般的TCP服務就可以滿足應用，所以可以忽略緊急指針和選項和填充字段的值。通過上述的三點簡化，實際上大大簡化了TCP協(xié)議的實現(xiàn)，因為TCP的超時與重傳的時間的確定和窗口大小的控制有著較復雜的算法和實現(xiàn)機制。

5 創(chuàng)新點總結

本文的創(chuàng)新點是針對傳統(tǒng)工業(yè)控制自動化現(xiàn)場總線連接方式成本高，開發(fā)周期長的不足之處，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)和現(xiàn)有CAN總線網(wǎng)的直接數(shù)據(jù)互聯(lián)?，F(xiàn)場總線通過與因特網(wǎng)、企業(yè)內部網(wǎng)相連，使自動控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設備成為企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的一個組成部分。系統(tǒng)在開放性、互操作性、現(xiàn)場設備智能化、系統(tǒng)結構、對現(xiàn)場環(huán)境適應性等性能方面得到了很大的提高，成功實現(xiàn)兩個異類網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信。

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