??? 摘??要： 為了通過以太網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控基于CAN總線的工業(yè)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)CAN-以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器。TCP/IP傳輸層的協(xié)議選擇UDP協(xié)議，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)CAN與UDP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。
??? 關(guān)鍵詞： CAN； UDP； 協(xié)議轉(zhuǎn)換； 單片機(jī)

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　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)及信息技術(shù)的發(fā)展，CAN（Controller Area Network）總線在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越普遍。CAN總線能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場各類儀表相互間的通信，但其遠(yuǎn)程通信能力較弱。而以太網(wǎng)作為當(dāng)今的主流網(wǎng)絡(luò)，具有很強(qiáng)的遠(yuǎn)程通信能力。為了融合這兩類網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)互聯(lián)，必須設(shè)計(jì)CAN-以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器。
　　本文提出一種設(shè)計(jì)CAN-以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器的方法，用16位PIC單片機(jī)設(shè)計(jì)一種CAN總線協(xié)議與TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。由于所針對(duì)的傳輸層協(xié)議是UDP(User Datagram Protocol)，因此，實(shí)際上設(shè)計(jì)的是CAN總線協(xié)議與UDP協(xié)議的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。
1 CAN-以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　系統(tǒng)主要由CAN通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊和協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊三部分構(gòu)成，通過一個(gè)16位的PIC單片機(jī)相連。CAN通信模塊主要用于采集現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)和與協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞；以太網(wǎng)通信模塊主要負(fù)責(zé)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊與以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸；協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊是將CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包與UDP協(xié)議數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
　　當(dāng)現(xiàn)場儀表有數(shù)據(jù)要傳送到以太網(wǎng)上的工控機(jī)時(shí)，CAN通信模塊會(huì)采集CAN節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；協(xié)議的轉(zhuǎn)換由PIC單片機(jī)完成，它將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成UDP協(xié)議數(shù)據(jù)包，最后由以太網(wǎng)通信模塊發(fā)送給以太網(wǎng)。當(dāng)控制命令或數(shù)據(jù)要從以太網(wǎng)傳送給現(xiàn)場儀表時(shí)，以太網(wǎng)通信模塊將接收以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)包，并放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；然后協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊把從以太網(wǎng)上接收到的UDP協(xié)議數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包；最后通過CAN通信模塊，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給相應(yīng)的現(xiàn)場儀表，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場儀表的遠(yuǎn)程控制。
2 硬件設(shè)計(jì)
　　CAN-以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器的硬件主要由兩部分組成：CAN通信模塊接口電路和以太網(wǎng)通信接口電路。協(xié)議轉(zhuǎn)換主要通過單片機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。
2.1 CAN通信模塊接口電路設(shè)計(jì)
　　CAN通信接口電路主要由主控芯片PIC24FJ64GA008、CAN總線控制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器82C250和高速光耦6N137組成，其接口電路如圖1所示。PIC24FJ64GA008單片機(jī)初始化CAN總線控制器SJA1000，并通過讀寫SJA1000的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)CAN幀信息的接收和發(fā)送。CAN總線控制器SJA1000實(shí)現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議?？偩€收發(fā)器82C250將CAN協(xié)議控制器與物理通信線路連接在一起。高速光耦6N137用于隔離，起到保護(hù)SJA1000型CAN總線控制器的作用。接口電路主要用到了單片機(jī)的并行主控端口模塊，它能夠很方便地實(shí)現(xiàn)與并行外設(shè)的連接。通過對(duì)并行端口控制寄存器(PMCON)和并行端口模式寄存器(PMMODE)進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲?，使并行主控端口模塊的8位地址線與數(shù)據(jù)線復(fù)用，并提供鎖存信號(hào)PMALL、片選信號(hào)、讀信號(hào)、寫信號(hào)PMWR^[1]。連接時(shí)將SJA1000的AD7～AD0腳與單片機(jī)的PMD[7..0]相連，用于傳送地址和數(shù)據(jù)。單片機(jī)通過引腳PMALL、、控制SJA1000的ALE、引腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)SJA1000的讀寫控制。若片選信號(hào)與SJA1000的片選引腳相連，使SJA1000的基地址為0X8000，則SJA1000內(nèi)部的32個(gè)寄存器的地址為：0X8000～0X801F。單片機(jī)的引腳與SJA1000的引腳INT相連，由于SJA1000的引腳是集電極開路輸出，因此需要加上拉電阻，這樣單片機(jī)就可以通過中斷方式讀寫SJA1000中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)^[2]。

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2.2 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)
　　以太網(wǎng)接口電路用到的主要芯片有單片機(jī)PIC24FJ64GA008、以太網(wǎng)控制器RTL8019AS、鎖存器74LS373、存儲(chǔ)器93LC46、隔離濾波器20F001N。RTL8019AS是臺(tái)灣Realtek公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制器，符合Ethernet II和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，收發(fā)速率可同時(shí)達(dá)到10Mb/s，內(nèi)部有16K BRAM。接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)需通過DMA(Direct Memory Access)讀寫RTL8019AS的內(nèi)部RAM來實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)讀寫RAM時(shí)使用的是遠(yuǎn)程DMA，RTL8019AS讀寫RAM時(shí)使用的是本地DMA。其接口電路如圖2所示^[3]，圖中，RTL8019AS的數(shù)據(jù)線SD[7..0]與單片機(jī)的PMD[7..0]相連，地址線SA9、SA8與PMCS1相連，低五位地址SA4~SA0與74LS373的Q[4..0]相連。93LC46是三線SPI串行接口EEPROM，主要保存RTL8019AS的配置信息，其00H～03H地址空間用于存儲(chǔ)RTL8019AS的配置寄存器CONFIG1～4的初始化值；04H~11H地址空間存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地址；12H～7FH地址空間存儲(chǔ)即插即用的配置信息。若00H單元的值為0X00，RTL8019AS在復(fù)位后會(huì)自動(dòng)讀取93LC46，這樣配置寄存器CONFIG1的值為00H，低四位IOS3～0的值為0，而當(dāng)IOS[3..0]=0時(shí)，RTL8019AS的I/O端口的基地址為300H。因?yàn)镽TL8019AS的地址為20位，所以其I/O口的地址空間為00300H～0031FH。據(jù)此，在接線時(shí)將SA19～SA10直接接地，SA9～SA8與PMCS1相連，SA7～SA5接地，當(dāng)PMCS1=1時(shí)就可以選中芯片RTL8019AS。PMCS1是單片機(jī)的ADDR14，因此，RTL8019AS的內(nèi)部地址空間00300H～0031FH的外部映射地址是4000H～401FH。RTL8019AS的IOCS16B引腳通過27k?贅的電阻下拉接地，將數(shù)據(jù)總線定義為8位^[2,4]。

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　　RTL8019AS內(nèi)置了10BASE-T收發(fā)器，可以通過雙絞線進(jìn)行以太網(wǎng)通信。TPIN±為接收線，TPOUT±為發(fā)送線，經(jīng)隔離濾波器20F001N后分別與RJ-45的RX±、TX±相連接。
??? LED0和LED1各接一個(gè)發(fā)光二極管以反映通信狀態(tài)，LED0被點(diǎn)亮表示通信沖突，LED1被點(diǎn)亮表示收到了網(wǎng)上的數(shù)據(jù)包。
3 軟件設(shè)計(jì)
??? 軟件主要分為三部分：CAN通信程序、以太網(wǎng)通信程序和CAN-UDP協(xié)議轉(zhuǎn)換程序。軟件設(shè)計(jì)的整體思路為：當(dāng)現(xiàn)場儀表有數(shù)據(jù)要發(fā)送到以太網(wǎng)時(shí)，首先由CAN通信程序采集現(xiàn)場儀表的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包，并存放在緩沖區(qū)Buffer1中，然后調(diào)用CAN-UDP協(xié)議轉(zhuǎn)換程序?qū)AN協(xié)議數(shù)據(jù)包封裝成UDP數(shù)據(jù)包，最后由以太網(wǎng)通信程序發(fā)送到以太網(wǎng)的應(yīng)用層。反之,當(dāng)以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)要發(fā)送給某個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)時(shí)，以太網(wǎng)通信程序首先將以太網(wǎng)傳輸層的UDP數(shù)據(jù)包放入緩沖區(qū)Buffer2，然后調(diào)用協(xié)議轉(zhuǎn)換程序?qū)DP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包，最后調(diào)用CAN通信程序?qū)⒕彌_區(qū)Buffer2中的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上的指定節(jié)點(diǎn)。
3.1 CAN通信程序
??? CAN通信網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)CAN協(xié)議2.0A構(gòu)建的，SJA1000工作在BasicCAN模式。CAN通信程序主要由以下幾部分構(gòu)成：SJA1000初始化程序Config_SJA1000( )、讀寫SJA1000內(nèi)部寄存器程序Read_SJA1000( )和Write_SJA1000( )、CAN發(fā)送程序BCAN_DATA_SEND( )、CAN接收程序BCAN_DATA_RECEIVE( )。
??? Config_SJA1000( )程序主要完成波特率的設(shè)置、CAN節(jié)點(diǎn)地址的設(shè)定、驗(yàn)收屏蔽寄存器AMR的設(shè)置、中斷寄存器IR的設(shè)置以及命令寄存器CMR的設(shè)置。為了確保CAN通信正常，CAN總線所有節(jié)點(diǎn)的波特率必須相同。當(dāng)發(fā)送CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包給CAN節(jié)點(diǎn)時(shí)，執(zhí)行BCAN_DATA_SEND( )函數(shù)，該函數(shù)通過調(diào)用Write_SJA1000( )子程序，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入CAN的數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送。當(dāng)SJA1000接收到CAN節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，通過單片機(jī)的外部中斷INT2向單片機(jī)申請(qǐng)中斷，單片機(jī)在INT2的中斷服務(wù)程序中會(huì)調(diào)用CAN接收程序，由CAN接收程序調(diào)用Read_SJA1000( )，將SJA1000數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀到單片機(jī)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Buffer1中。
3.2 CAN-UDP協(xié)議轉(zhuǎn)換程序
??? CAN-UDP協(xié)議轉(zhuǎn)換程序主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Buffer1中的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包封裝成UDP數(shù)據(jù)包；同時(shí)也會(huì)從以太網(wǎng)的傳輸層上接收UDP數(shù)據(jù)包，然后封裝成CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包，存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Buffer2。UDP協(xié)議的幀格式如圖3所示。

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??? 目標(biāo)端口號(hào)(2B)：UDP數(shù)據(jù)包的接收端號(hào)。
　　數(shù)據(jù)報(bào)長度(2B)：包括報(bào)頭和數(shù)據(jù)報(bào)在內(nèi)的總字節(jié)數(shù)。
　　校驗(yàn)值(2B)：對(duì)IP頭、UDP頭和數(shù)據(jù)中信息包頭的數(shù)位取反之和再取反。源端口號(hào)、目標(biāo)端口號(hào)、數(shù)據(jù)報(bào)長度和校驗(yàn)值構(gòu)成UDP報(bào)頭。
　　UDP數(shù)據(jù)：是實(shí)際的傳輸信息，數(shù)據(jù)的最大長度可達(dá)到65 527 字節(jié)。在傳輸過程中數(shù)據(jù)字節(jié)設(shè)為8B，且第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)為CAN節(jié)點(diǎn)的地址。CAN數(shù)據(jù)包幀格式如圖4所示。

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