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CAN总线与以太网互连系统设计

2017-03-19 01:05 摘要：介绍了一种基于单片机ＳＸ５２的ＣＡＮ与以太网互连方案，阐述了以太网和ＣＡＮ总线网络协议转换的软硬件设计，实现了以太网与现有ＣＡＮ总线网的直接连接。保证管理监控层（以太网）与生产测控层（ＣＡＮ总线网）之间的连接，使得上下层数据能方便地通信。

在大型企业自动化系统中，上层企业管理层和生产监控层一般都采用以太网和ＰＣ机，而下层车间现场则采用现场总线和单片机测控设备。上下两层的沟通，通常采用工业控制机加以太网卡，再加上ＰＣ机插槽上的接口卡或并行打印口的ＥＰＰ接口卡实现。这种连接方式成本高，开发周期长。针对这种情况，笔者设计一种单独的ＣＡＮ以太网网关互连系统，成功地实现以太网与现有ＣＡＮ总线网的直接数据互联。

１ 系统结构

系统总体结构分为三部分：现场测控网络（ＣＡＮ网络）、嵌入式透明ＳＸ５２网关、以太网信息管理终端（如监控平台和网络数据库等），如图１所示。

ＣＡＮ总线是一个设备互连总线型控制网络。在ＣＡＮ总线上可以挂接多达１１０个设备节点，各设备间可以自主相互通信，实现复杂网络控制系统。但设备信息层无法直接到达信息管理层，要想设备信息进入信息管理层需通过数据网关。嵌入式透明ＳＸ５２网关就是为此而设计的。

透明式网关在以太网应用层构建和解析完整的ＣＡＮ协议数据包。ＣＡＮ协议数据包作为ＴＣＰ／ＩＰ网络应用层的数据进行传输，它对通信数据的具体实际意义不做任何解释。透明式网关由通信处理器、ＣＡＮ总线控制器和以太网控制器三部分组成。其中ＳＸ５２单片机为核心处理器，它实现了ＣＡＮ控制网络与以太网之间的协议转换。以太网信息管理层的控制指令发送到嵌入式透明ＳＸ５２网关，将ＴＣＰ／ＩＰ协议包数据转换为ＣＡＮ协议形式发送至ＣＡＮ控制网络中的指定设备节点，完成信息管理层对现场设备层的控制。同样地，当ＣＡＮ网络上的设备数据（如定时采样数据或报警信息）要传输到信息管理层时，可将数据发送到嵌入式透明ＳＸ５２网关，再通过网关协议转换程序将ＣＡＮ协议数据封装成ＴＣＰ／ＩＰ协议的以太网数据帧发送至以太网上的监控计算机。

以太网信息管理终端是一个根据用户的具体要求而设计的用户层应用软件。它可以是一个ＷＩＮ３２监控程序或网络数据库（记录ＣＡＮ节点设备数据）软件等；甚至可能是ＣＡＮ节点设备的服务器软件，为设备提供较复杂的数据处理工作。

２ 硬件设计

系统硬件分为两大部分：ＣＡＮ总线网络设备接口设计和嵌入式透明ＳＸ５２网关设计。

２．１ ＣＡＮ总线网络设备接口设计

ＣＡＮ总线网络设备接口设计较网关设计简单。它是在完成设备功能的基础上加入一个ＣＡＮ通信控制器接口芯片，实现与ＣＡＮ总线网络的连接。考虑到开发成本和灵活性，笔者在设计中选用ＰＨＩＬＩＰＨＳ公司的独立ＣＡＮ通信控制器ＳＪＡ１０００芯片和ＣＡＮ总线收发器８２Ｃ２５０芯片。其结构如图２所示。

２．２ 嵌入式透明ＳＸ５２网关设计

嵌入式透明网关设计是整个系统设计的核心。其结构如图３所示。它由ＣＡＮ控制器协议转换模块和以太网控制器协议转换模块两部分组成。网关硬件中ＳＸ５２微处理器起核心作用。它是由美国Ｕｂｉｃｏｍ公司研制的高速可配置通信控制器，其处理速度相当高。在外接１００ＭＨｚ时钟时，指令执行速度可达１００ ＭＩＰＳ。它可实现ＴＣＰ／ＩＰ协议栈中的ＡＲＰ、ＩＰ、ＵＤＰ、ＴＣＰ、ＨＴＴＰ、ＳＭＴＰ、ＩＣＭＰ等网络协议。

ＣＡＮ控制器协议转换模块硬件电路原理如图３左框图。它由三部分组成：微控制器ＳＸ５２、独立ＣＡＮ通信控制器ＳＪＡ１０００、ＣＡＮ总线收发器８２Ｃ２５０。其中ＳＸ５２为唯一的ＣＰＵ核心，负责ＳＪＡ１０００的初始化，通过读写ＳＪＡ１０００内部寄存器实现数据的接收、发送和错误处理等。ＰＣＡ８２Ｃ２５０则提供对总线的差动发送能力和对ＣＡＮ控制器的差动接收能力。