一種CAN總線―PROFIBUS-DP總線網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)方法
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在80年代中期，為了滿足不同自動化領(lǐng)域的應(yīng)用需求，出現(xiàn)了擁有不同技術(shù)特點的現(xiàn)場總線。每一種現(xiàn)場總線都有自己的應(yīng)用領(lǐng)域，并且都力圖拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，以擴張其技術(shù)壟斷范圍。但每種現(xiàn)場總線都以一個或幾個大型跨國公司為背景，公司的利益與總線的發(fā)展息息相關(guān)。這些公司競爭的結(jié)果是多種總線協(xié)調(diào)共存。據(jù)不完全統(tǒng)計,目前國際上有200多種現(xiàn)場總線,而其中占據(jù)市場主流的現(xiàn)場總線有十幾種[1]。現(xiàn)場總線的多樣性，為總線設(shè)備用戶提供了更多產(chǎn)品選擇的同時，也為總線用戶帶了總線設(shè)備間兼容性問題。工廠在擴建，改建等過程中很可能會選用與原先現(xiàn)場設(shè)備總線標(biāo)準(zhǔn)不同的產(chǎn)品，這些設(shè)備由于使用不同的現(xiàn)場總線，彼此間不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，于是就降低了設(shè)備間功能互補的優(yōu)點。因此針對多種總線共存的客觀事實，探討如何解決不同現(xiàn)場總線系統(tǒng)的互聯(lián)有著重要的現(xiàn)實意義。本文主要研究PROFIBUS-DP[2]與CAN[3]兩種總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換的原理，并設(shè)計出了一種網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了這兩種總線的互聯(lián)。
2 方案設(shè)計
對于兩個異構(gòu)的現(xiàn)場總線，其數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層協(xié)議是截然不同的，要實現(xiàn)它們的互聯(lián)，需要采用網(wǎng)關(guān)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。協(xié)議轉(zhuǎn)換在網(wǎng)關(guān)內(nèi)是按分層逐次進行的。網(wǎng)關(guān)將現(xiàn)場總線設(shè)備1發(fā)送來的數(shù)據(jù)在不同的協(xié)議層次進行解包，最終得到報文中的用戶數(shù)據(jù)。然后再按照現(xiàn)場總線協(xié)議2逐層打包，然后發(fā)送到現(xiàn)場總線2中的設(shè)備。
網(wǎng)關(guān)（gateway）是用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層 以上層的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，它相當(dāng)于一個協(xié)議轉(zhuǎn)換器，可以是雙向的，也可以是單向的，用來連接不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。它不像網(wǎng)橋一樣要求數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的協(xié)議完全一致。
通常見到的現(xiàn)場總線網(wǎng)關(guān)是單CPU結(jié)構(gòu)的，在這種結(jié)構(gòu)里，CPU要完成兩種總線信息的傳輸與控制，同時還要完成兩種總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換工作，該方案CPU負擔(dān)較重，控制復(fù)雜，軟件采用多重嵌套。這里提出了一種基于雙CPU結(jié)構(gòu)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計方法，系統(tǒng)中的兩個CPU對兩種總線協(xié)議的數(shù)據(jù)各自進行處理與控制，并將需要傳遞的信息放在雙口RAM內(nèi)，實現(xiàn)信息共享與傳遞，這種方案容易控制，軟件簡單，同時減輕了CPU的負擔(dān)，增強了可靠性。
3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
系統(tǒng)的硬件根據(jù)功能可分為三大部分，一是CAN總線接口電路，完成CAN總線的數(shù)據(jù)收發(fā)與控制;二是PROFIBUS-DP總線接口電路，完成PROFIBUS總線數(shù)據(jù)的收發(fā)與控制;三是雙口RAM接口電路，用來完成兩種總線數(shù)據(jù)的交換。
3.1 CAN總線接口硬件結(jié)構(gòu)
CAN總線接口的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1。電路主要由四部分所構(gòu)成，微控制器89C52（1），獨立CAN通信控制器SJA1000，CAN總線收發(fā)器82C250和高速光電耦合器6N137。
89C52（1）負責(zé)SJA1000 的初始化，通過控制SJA1000 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)，同時還負責(zé)與PROFIBUS總線接口側(cè)的的數(shù)據(jù)交換，選擇89C52（1）作為CPU的主要是因為它不僅與CAN控制芯片SJA1000兼容，而且內(nèi)部集成8k flash RAM，可以滿足系統(tǒng)的存儲要求，不需要再外擴程序存儲器。
SJA1000為CAN總線控制器。它是一種獨立CAN 控制器，是PHILIPS公司的CA82C200 CAN控制器的替代產(chǎn)品，它在軟件和引腳上都保持了與PCA82C200的兼容。它具有BasicCAN和PeliCAN兩種工作方式,其中 BasicCAN是與PCA82C200兼容的方式;PeliCAN是擴展特性方式，支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議。SJA1000的主要新功能有:標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和擴展結(jié)構(gòu)報文的接收和發(fā)送;64 字節(jié)的接收FIFO;標(biāo)準(zhǔn)和擴展幀格式都具有單/雙接收濾波器含接收屏蔽和接收碼寄存器;可進行讀/寫訪問的錯誤計數(shù)器;可編程的錯誤報警限制;最近一次的錯誤代碼寄存器;每一個CAN 總線錯誤都可以產(chǎn)生錯誤中斷;具有丟失仲裁定位功能的丟失仲裁中斷;單發(fā)方式當(dāng)發(fā)生錯誤或丟失仲裁時不重發(fā);只聽方式監(jiān)聽CAN 總線無應(yīng)答無錯誤標(biāo)志;支持熱插拔無干擾軟件驅(qū)動位速率檢測;硬件禁止CLKOUT輸出。
SJA1000的AD0-AD7連接到89C52（1）的P0口，CS 連接到89C52（1）的P2.7， P2.7為0的CPU片外存貯器地址可選中SJA1000，CPU通過這些地址可對SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀寫操作SJA1000的RD，WR，ALE 分別與89C52的對應(yīng)引腳相連。
為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接與82C250的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦6N137后與82C250相連，這樣就很好的實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離其中光耦部分電路所采用的兩個電源VCC和VDD完全隔離。另外82C 250與 CAN總線的接口部分也采用了一定的安全和抗干擾措施。82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個5Ω的電阻與CAN總線相連電阻可起到一定的限流作用，保護82C250免受過流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了2個30P的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力，另外在兩根CAN總線接入端與地之間分別反接了一個保護二極管，當(dāng)CAN總線有較高的負電壓時通過二極管的短路可起到一定的過壓保護作用， 82C250的Rs腳上接有一個斜率電阻。
3.2 PROFIBUS-DP總線接口電路
PROFIBUS-DP總線接口的硬件電路也由四部分所構(gòu)成，微控制器89C52（2），PROFIBUS-DP通信控制器協(xié)議芯片SPC3，光耦 HCPL7101和6N137，RS485總線驅(qū)動電路。圖2為PROFIBUS-DP通信控制器到RS485總線驅(qū)動器的硬件電路圖。
89C52（2）主要負責(zé)控制SPC3，實現(xiàn)PROFIBUS-DP總線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與共享。
SPC3已集成了PROFIBUS-DP物理層的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，可獨立處理PROFIBUS DP協(xié)議，另外SPC3內(nèi)部還集成有1.5k的雙口RAM，作為SPC3與用戶程序之間的接口，并且AT89C52（2）可對SPC3內(nèi)部RAM訪問。
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