CAN總線與以太網(wǎng)系統(tǒng)互連中網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3 CAN協(xié)議分析

CAN是遵從OSI模型，按照OSI基準(zhǔn)模型，CAN結(jié)構(gòu)劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。按照IEEE802.2和802.3標(biāo)準(zhǔn)，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(guān)接口（MDI）

MAC子層運(yùn)行借助稱之為“故障界定實(shí)體(FCE)”的管理實(shí)體進(jìn)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(jī)制。物理層可借助檢測(cè)和管理物理媒體故障實(shí)體進(jìn)行監(jiān)控（例如總線短路或中斷，總線故障管理）。LLC和MAC兩個(gè)同等的協(xié)議實(shí)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(fù)管理。其中，超載通告功能是如果接收器內(nèi)部條件要求延遲下一個(gè)LLC數(shù)據(jù)幀或LLC遠(yuǎn)程幀，則通過LLC子層開始發(fā)送超載幀最多可產(chǎn)生兩個(gè)超載幀，以延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀。

按照網(wǎng)絡(luò)的OSI七層模型來看，CAN總線網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和幀的封裝。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要建立自己的上層協(xié)議。這里設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的“命令項(xiàng)+數(shù)據(jù)項(xiàng)”結(jié)構(gòu)，其完整數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖二所示。

考慮到工業(yè)控制中的功能一般不多，因此命令項(xiàng)的長(zhǎng)度設(shè)定為1BYTE（可以描述256種命令）。在數(shù)據(jù)項(xiàng)里設(shè)置數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(shí)很有可能返回的數(shù)據(jù)也較大，所以，這里設(shè)置一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度項(xiàng)，就可使用戶定義數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度達(dá)到256字節(jié)。

4 SX52的TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計(jì)

ARP協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的動(dòng)態(tài)映射。以太網(wǎng)接口支持一個(gè)唯一的48-bit的物理地址。在SX52中，ARP協(xié)議是通過一個(gè)“IP地址對(duì)應(yīng)以太網(wǎng)地址”的單登記核實(shí)現(xiàn)。當(dāng)遠(yuǎn)程主機(jī)需要知道它的物理地址時(shí)，遠(yuǎn)程主機(jī)會(huì)向它發(fā)送ARP請(qǐng)求，這時(shí)它就會(huì)響應(yīng)這個(gè)遠(yuǎn)程主機(jī)的請(qǐng)求，告訴對(duì)方自己的物理地址。當(dāng)應(yīng)用層需要傳輸IP數(shù)據(jù)包時(shí)，SX52 ARP協(xié)議也可以請(qǐng)求遠(yuǎn)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(gòu)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(dāng)然，這可能不是正確的以太網(wǎng)地址，因此，在實(shí)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(gè)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(gè)ARP請(qǐng)求包，然后等待一個(gè)應(yīng)答。一旦這個(gè)ARP應(yīng)答接收到，這個(gè)ARP核將使用剛接收到的目標(biāo)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(gè)以太網(wǎng)地址更新，然后被發(fā)送出去。如果發(fā)送的ARP請(qǐng)求包沒有應(yīng)答，導(dǎo)致ARP定時(shí)器超時(shí)，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(yùn)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(bào)格式傳輸。IP提供不可靠、無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳送服務(wù)，不能保證IP數(shù)據(jù)報(bào)成功地到達(dá)目的地。如果發(fā)生某種錯(cuò)誤時(shí)，如某個(gè)路由器暫時(shí)用完了緩沖區(qū)，IP有一個(gè)簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤處理算法：丟棄該數(shù)據(jù)報(bào)，然后發(fā)送ICMP 消息報(bào)給信源端。任何要求的可靠性必須由上層來提供。無(wú)連接的意思是IP并不維護(hù)任何關(guān)于后續(xù)數(shù)據(jù)報(bào)的狀態(tài)信息，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的處理是相互獨(dú)立的。這也說明，IP數(shù)據(jù)報(bào)可以不按發(fā)送順序接收。在本設(shè)計(jì)中，IP協(xié)議是針對(duì)特殊的應(yīng)用環(huán)境下的合理簡(jiǎn)化。CAN總線的控制網(wǎng)絡(luò)是一種短幀、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，所以，IP數(shù)據(jù)包無(wú)須分片（MF=DF=0），同時(shí),設(shè)置IP服務(wù)類型為一般類型，其頭長(zhǎng)為20字節(jié)，首部長(zhǎng)度字段為5，壽命TTL設(shè)置為64。

TCP向應(yīng)用層提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務(wù)。在面向工業(yè)控制上的應(yīng)用時(shí)，可以對(duì)復(fù)雜的TCP協(xié)議做合理的簡(jiǎn)化，因?yàn)镃AN網(wǎng)絡(luò)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(huì)發(fā)生阻塞，以太網(wǎng)上的主機(jī)也會(huì)有足夠的能力及時(shí)處理通信數(shù)據(jù)。所以可以固定超時(shí)與重傳的時(shí)間為5s，此外RTL8019AS上有兩個(gè)1500字節(jié)的接收緩沖區(qū)，且CAN網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)中采用一般的TCP服務(wù)就可以滿足應(yīng)用，所以可以忽略緊急指針和選項(xiàng)和填充字段的值。通過上述的三點(diǎn)簡(jiǎn)化，實(shí)際上大大簡(jiǎn)化了TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，因?yàn)門CP的超時(shí)與重傳的時(shí)間的確定和窗口大小的控制有著較復(fù)雜的算法和實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

5 創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是針對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)控制自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)總線連接方式成本高，開發(fā)周期長(zhǎng)的不足之處，設(shè)計(jì)一種單獨(dú)的CAN以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互連系統(tǒng)，成功地實(shí)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)。現(xiàn)場(chǎng)總線通過與因特網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)相連，使自動(dòng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備成為企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。系統(tǒng)在開放性、互操作性、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性等性能方面得到了很大的提高，成功實(shí)現(xiàn)兩個(gè)異類網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。

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