摘 要： 研究了以太網(wǎng)和CAN總線間的互聯(lián)技術(shù)。通過分析以太網(wǎng)和CAN總線的網(wǎng)絡(luò)模型，給出了實現(xiàn)以太網(wǎng)和CAN總線互聯(lián)的核心設(shè)備——Ethernet/CAN網(wǎng)關(guān)的模型結(jié)構(gòu)，并在此模型的基礎(chǔ)上給出了基于ARM7微處理器的網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計方案和軟件流程。
關(guān)鍵詞： CAN 以太網(wǎng) 網(wǎng)關(guān) 設(shè)計
現(xiàn)場總線（Field Bus）在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而以太網(wǎng)(Ethernet)以其廉價和開放的特點成為最普及的局域網(wǎng)技術(shù)，它是構(gòu)筑互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)場總線通信數(shù)據(jù)量小，可靠性高。而以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)量大，速度快。10M/100M的以太網(wǎng)目前已經(jīng)非常成熟。將以太網(wǎng)作為信息傳遞的主干網(wǎng)，連接現(xiàn)場總線和其他高級設(shè)備的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。
在這種新的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)不僅是主干網(wǎng)，而且可與現(xiàn)場總線相互交換數(shù)據(jù)。所以工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不僅可以深入到控制現(xiàn)場的各種設(shè)備，還可以借助互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程調(diào)試和故障診斷。要將現(xiàn)場總線接入以太網(wǎng)，關(guān)鍵是設(shè)計以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線間的網(wǎng)關(guān)，從而實現(xiàn)2個網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸。
不同的現(xiàn)場總線，因其通信協(xié)議不同，需要設(shè)計不同的網(wǎng)關(guān)。本文主要討論目前在現(xiàn)場總線中應(yīng)用較多的CAN(Control Area Network)總線和以太網(wǎng)間網(wǎng)關(guān)(Ethernet/CAN Gateway)的設(shè)計。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1 網(wǎng)關(guān)的模型
Ethernet/CAN網(wǎng)關(guān)連接的是2個通信協(xié)議和結(jié)構(gòu)完全不同的網(wǎng)絡(luò)。對于Ethernet/CAN網(wǎng)關(guān)來說，它的工作實際上是對信息重新封裝以使它們能夠被Ethernet或CAN網(wǎng)所讀取。為了完成這項任務(wù)，網(wǎng)關(guān)必須能運行在OSI模型的幾個層次上。下面先討論OSI和Ethernet以及 CAN的網(wǎng)絡(luò)模型。
OSI是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Standardization Organization，ISO)為實現(xiàn)開放系統(tǒng)互連而建立的模型，其目的是為異種計算機(jī)間的互連提供一個共同的基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)框架，并為保持相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性和兼容性提供共同的參考。OSI參考模型如圖2所示。
OSI模型共有7層。每一層的功能都是獨立的，而且利用下一層所提供的功能為上一層服務(wù)。物理層是第1層，應(yīng)用層是第7層。每層的具體功能和定義可以參閱有關(guān)書籍。在OSI模型中，1～3層為底層，實現(xiàn)傳輸功能。網(wǎng)絡(luò)和終端都具備此功能。4～7層為高層，實現(xiàn)通信處理，通常用網(wǎng)絡(luò)終端來實現(xiàn)。Ethernet和CAN的網(wǎng)絡(luò)模型都只支持OSI所定義的7層結(jié)構(gòu)中的一部分，在某些層次上,其定義也有所不同。
Ethernet中沒有與OSI模型中的會話層和表示層相對應(yīng)的層次。Ethernet網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示。其中數(shù)據(jù)鏈路層的定義和OSI模型有所不同，它由邏輯鏈路控制（LLC）和介質(zhì)訪問控制（MAC）2個子層組成。LLC的主要功能是對數(shù)據(jù)報的封裝和拆裝。MAC的主要功能是控制對傳輸介質(zhì)的訪問。
嚴(yán)格說來，標(biāo)準(zhǔn)CAN總線只支持OSI模型中最低的2層。和Ethernet一樣，在數(shù)據(jù)鏈路層也分為邏輯鏈路控制子層和介質(zhì)訪問控制子層2個部分。但具體定義和Ethernet中的定義有所不同。由于CAN總線并沒有定義應(yīng)用層，因此用戶可以自己定義應(yīng)用層的協(xié)議。
對于網(wǎng)關(guān)來說，它必須能夠讀取和發(fā)送Ethernet和CAN網(wǎng)上的數(shù)據(jù)。因此，它必須具備CAN以及Ethernet所定義的網(wǎng)絡(luò)層次。通過對Ethernet和CAN網(wǎng)絡(luò)模型與OSI模型的對比與分析，可以得到Ethernet/CAN網(wǎng)關(guān)的基本模型結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
在網(wǎng)關(guān)模型中，與Ethernet和CAN網(wǎng)絡(luò)連接部分的各層的定義與Ethernet和CAN網(wǎng)絡(luò)模型中所定義的相同。不同的是在Ethernet應(yīng)用層的位置，定義了一個管理協(xié)議層。Ethernet和CAN網(wǎng)絡(luò)之間的信息傳遞就是在該層實現(xiàn)的。網(wǎng)關(guān)的管理協(xié)議層包含了Ethernet應(yīng)用層和對CAN總線站點的管理。
2 網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)
通過前面的討論，得到了網(wǎng)關(guān)的基本模型。對于它的實現(xiàn)，有2種較常用的方法：一種是采用設(shè)計專用集成電路的方法。這種設(shè)計方法的優(yōu)點是網(wǎng)關(guān)的速度快，可靠性高，但設(shè)計復(fù)雜度高，開發(fā)周期長。另一種方法是采用通用型微處理器并配備一定的外圍電路來構(gòu)造硬件平臺。通過在該平臺上所運行的程序來實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的功能。本文采用后一種實現(xiàn)方式。
根據(jù)網(wǎng)關(guān)的功能，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)主要由3部分組成：CAN總線接口、協(xié)議處理單元和Ethernet接口。網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。很明顯，協(xié)議處理單元是網(wǎng)關(guān)硬件的核心，它的主要部分是通用微處理器，主要完成CAN總線到以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。因此通用微處理器的性能決定了網(wǎng)關(guān)實時性的優(yōu)劣。
協(xié)議處理單元中的通用微處理器在設(shè)計中采用ARM公司的ARM7TDMI 32位RISC處理器。它含有3級流水線，采用單一的32位數(shù)據(jù)總線傳送指令和數(shù)據(jù)，因此有很優(yōu)越的性能。Ethernet接口電路采用臺灣Realtek公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS來實現(xiàn)。RTL8019AS本身包含了Ethernet網(wǎng)絡(luò)模型中最低2層。而CAN總線接口電路中采用的是應(yīng)用比較廣泛的CAN總線控制芯片SJA1000。網(wǎng)關(guān)硬件框圖如圖6所示。其中，為了提高抗干擾性，CAN接口電路中加入了光電隔離電路。網(wǎng)關(guān)運行的程序和相應(yīng)的參數(shù)的設(shè)置通過RS232接口電路完成。
網(wǎng)關(guān)硬件框圖中與網(wǎng)關(guān)模型中的CAN總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層相對應(yīng)的是CAN物理接口電路和CAN控制器SJA1000。網(wǎng)關(guān)模型中Ethernet物理層和數(shù)據(jù)鏈路層與硬件框圖中的以太網(wǎng)控制器相對應(yīng)。網(wǎng)關(guān)模型中其他部分由ARM處理器件中所運行的軟件來實現(xiàn)。
網(wǎng)關(guān)軟件的工作流程圖如圖7所示。當(dāng)連接在CAN總線上的現(xiàn)場設(shè)備向連接在Ethernet上的監(jiān)控計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)首先通過網(wǎng)關(guān)上的CAN總線接口電路送到CAN總線控制芯片SJA1000。SJA1000向ARM處理器發(fā)出中斷請求。如果此時ARM處理器正在執(zhí)行其他優(yōu)先級較高的任務(wù)，數(shù)據(jù)就暫時存儲在SJA1000的緩存中。當(dāng)ARM處理器執(zhí)行完任務(wù)后，響應(yīng)中斷，從SJA1000中將數(shù)據(jù)取出。通過管理協(xié)議層中所對應(yīng)的程序，提取需要傳送的數(shù)據(jù)，然后再對該數(shù)據(jù)分別添加TCP和IP層所需要的信息。ARM處理器通過并行總線將經(jīng)過封裝的數(shù)據(jù)發(fā)送給以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS。RTL8019AS自動給這些數(shù)據(jù)添加以太網(wǎng)物理層和邏輯鏈路層所需要的相關(guān)信息，然后再通過物理接口傳送到以太網(wǎng)上。這時監(jiān)控計算機(jī)就可以通過機(jī)器的網(wǎng)卡接收到從CAN總線上的設(shè)備所傳遞的數(shù)據(jù)。反之，當(dāng)監(jiān)控計算機(jī)向CAN總線網(wǎng)中的現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時，它首先通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)上的以太網(wǎng)控制器RTL8019AS。同樣也是采用中斷的方式，ARM處理器響應(yīng)中斷后，通過讀取RTL8019AS中的相關(guān)寄存器來判定是否收到數(shù)據(jù)。對于新收到的數(shù)據(jù)，將其從RTL8019AS的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中取出。在提取其中實際要傳送的數(shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)封裝成CAN總線能夠識別的數(shù)據(jù)格式，通過CAN總線控制器發(fā)送到CAN總線網(wǎng)中相應(yīng)的現(xiàn)場設(shè)備。以上是對網(wǎng)關(guān)工作流程的基本描述。ARM處理器響應(yīng)中斷后，實際上是分別都調(diào)用了CAN和Ethernet通信子程序。以太網(wǎng)的TCP和IP層所包含的TCP/IP協(xié)議是一個非常大的協(xié)議族，因受到網(wǎng)關(guān)硬件資源的限制，設(shè)計中對TCP/IP協(xié)議族進(jìn)行了簡化。
3 結(jié)束語
Ethernet/CAN網(wǎng)關(guān)是以太網(wǎng)為主干網(wǎng)的新型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備。本文對該網(wǎng)關(guān)的模型進(jìn)行了討論，并根據(jù)該模型給出了網(wǎng)關(guān)的硬件和軟件框圖。使用性能更高的處理器或采用專用集成電路設(shè)計技術(shù)將進(jìn)一步提高網(wǎng)關(guān)的性能。
參考文獻(xiàn)
1 鄭建彬.以太網(wǎng)和CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)間的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計. 信息技術(shù)，2002；(1)
2 鄧先成.LAN/Field Bus網(wǎng)關(guān)設(shè)計.西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位 論文，2001
3 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.北京：北京航天航 空大學(xué)出版社，1996
4 周立功.單片機(jī)與TCP/IP綜合應(yīng)用技術(shù).廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司，2003
5 王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā)——基于ARM微處理器與 μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社，2002