CAN總線與以太網(wǎng)系統(tǒng)互連中網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

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(shè)備之間的多點數(shù)字通信，計算機測控技術(shù)與計算機網(wǎng)絡(luò)緊密地結(jié)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(shù)。

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(luò)，它實現(xiàn)了微機化的現(xiàn)場測量控制儀器或設(shè)備之間的雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信。現(xiàn)場總線技術(shù)的關(guān)鍵是使自動控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備具備通信能力，將它們連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。作為網(wǎng)絡(luò)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(shù)在工業(yè)應用中形成的一個成熟技術(shù)標準。它的協(xié)議建立在ISO/OSI模型基礎(chǔ)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(shè)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(shè)計一種單獨的CAN以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)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(shè)計

CAN總線是一個設(shè)備互連總線型控制網(wǎng)絡(luò)。在CAN總線上可以掛接多達110個設(shè)備節(jié)點，各設(shè)備間可以自主相互通信，實現(xiàn)復雜網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。但設(shè)備信息層無法直接到達信息管理層，要想設(shè)備信息進入信息管理層就要通過一種數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。

這里我們設(shè)計了一個SX52網(wǎng)關(guān)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(luò)（CAN網(wǎng)絡(luò)）、嵌入式透明SX52網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)信息管理終端（如監(jiān)控平臺和網(wǎng)絡(luò)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(guān)，CANBUS相互通信，其中SX52網(wǎng)關(guān)起到核心的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連作用。

協(xié)議轉(zhuǎn)換是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連的技術(shù)關(guān)鍵和難點，協(xié)議轉(zhuǎn)換一般可采用分層轉(zhuǎn)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(luò)層展開的，因而必須對互連層以下各層協(xié)議逐層向上轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)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(diào)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(luò)的分層結(jié)構(gòu)上來看，我們設(shè)計的互連系統(tǒng)具有如圖一所示的分層結(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)上運行TCP/IP協(xié)議，它具有應用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(zhuǎn)發(fā)這兩種不同協(xié)議的數(shù)據(jù)。

在本設(shè)計中，SX52網(wǎng)關(guān)被設(shè)計成了一個透明數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，也就是在以太網(wǎng)應用層構(gòu)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(luò)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(guān)設(shè)計成透明式，是基于以下三個方面的考慮：1）透明式網(wǎng)關(guān)設(shè)計相對不透明網(wǎng)關(guān)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(shè)計的復雜度、提高了通信的速度和實時性。2）透明式網(wǎng)關(guān)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(guān)則要根據(jù)不同要求對網(wǎng)關(guān)程序作出不同的修改。3）因為協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)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(luò)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(guān)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。