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CAN總線與以太網互連系統設計
摘要：介紹了一種基于單片機ＳＸ５２的ＣＡＮ與以太網互連方案，闡述了以太網和ＣＡＮ總線網絡協議轉換的軟硬件設計，實現了以太網與現有ＣＡＮ總線網的直接連接。保證管理監控層（以太網）與生產測控層（ＣＡＮ總線網）之間的連接，使得上下層數據能方便地通信。在大型企業自動化系統中，上層企業管理層和生產監控層一般都采用以太網和ＰＣ機，而下層車間現場則采用現場總線和單片機測控設備。上下兩層的溝通，通常采用工業控制機加以太網卡，再加上ＰＣ機插槽上的接口卡或并行打印口的ＥＰＰ接口卡實現。這種連接方式成本高，開發周期長。針對這種情況，筆者設計一種單獨的ＣＡＮ以太網網關互連系統，成功地實現以太網與現有ＣＡＮ總線網的直接數據互聯。
１ 系統結構
系統總體結構分為三部分：現場測控網絡（ＣＡＮ網絡）、嵌入式透明ＳＸ５２網關、以太網信息管理終端（如監控平臺和網絡數據庫等），如圖１所示。
ＣＡＮ總線是一個設備互連總線型控制網絡。在ＣＡＮ總線上可以掛接多達１１０個設備節點，各設備間可以自主相互通信，實現復雜網絡控制系統。但設備信息層無法直接到達信息管理層，要想設備信息進入信息管理層需通過數據網關。嵌入式透明ＳＸ５２網關就是為此而設計的。
透明式網關在以太網應用層構建和解析完整的ＣＡＮ協議數據包。ＣＡＮ協議數據包作為ＴＣＰ／ＩＰ網絡應用層的數據進行傳輸，它對通信數據的具體實際意義不做任何解釋。透明式網關由通信處理器、ＣＡＮ總線控制器和以太網控制器三部分組成。其中ＳＸ５２單片機為核心處理器，它實現了ＣＡＮ控制網絡與以太網之間的協議轉換。以太網信息管理層的控制指令發送到嵌入式透明ＳＸ５２網關，將ＴＣＰ／ＩＰ協議包數據轉換為ＣＡＮ協議形式發送至ＣＡＮ控制網絡中的指定設備節點，完成信息管理層對現場設備層的控制。同樣地，當ＣＡＮ網絡上的設備數據（如定時采樣數據或報警信息）要傳輸到信息管理層時，可將數據發送到嵌入式透明ＳＸ５２網關，再通過網關協議轉換程序將ＣＡＮ協議數據封裝成ＴＣＰ／ＩＰ協議的以太網數據幀發送至以太網上的監控計算機。
以太網信息管理終端是一個根據用戶的具體要求而設計的用戶層應用軟件。它可以是一個ＷＩＮ３２監控程序或網絡數據庫（記錄ＣＡＮ節點設備數據）軟件等；甚至可能是ＣＡＮ節點設備的服務器軟件，為設備提供較復雜的數據處理工作。
２ 硬件設計
系統硬件分為兩大部分：ＣＡＮ總線網絡設備接口設計和嵌入式透明ＳＸ５２網關設計。
２．１ ＣＡＮ總線網絡設備接口設計
ＣＡＮ總線網絡設備接口設計較網關設計簡單。它是在完成設備功能的基礎上加入一個ＣＡＮ通信控制器接口芯片，實現與ＣＡＮ總線網絡的連接。考慮到開發成本和靈活性，筆者在設計中選用ＰＨＩＬＩＰＨＳ公司的獨立ＣＡＮ通信控制器ＳＪＡ１０００芯片和ＣＡＮ總線收發器８２Ｃ２５０芯片。其結構如圖２所示。
２．２ 嵌入式透明ＳＸ５２網關設計
嵌入式透明網關設計是整個系統設計的核心。其結構如圖３所示。它由ＣＡＮ控制器協議轉換模塊和以太網控制器協議轉換模塊兩部分組成。網關硬件中ＳＸ５２微處理器起核心作用。它是由美國Ｕｂｉｃｏｍ公司研制的高速可配置通信控制器，其處理速度相當高。在外接１００ＭＨｚ時鐘時，指令執行速度可達１００ ＭＩＰＳ。它可實現ＴＣＰ／ＩＰ協議棧中的ＡＲＰ、ＩＰ、ＵＤＰ、ＴＣＰ、ＨＴＴＰ、ＳＭＴＰ、ＩＣＭＰ等網絡協議。
ＣＡＮ控制器協議轉換模塊硬件電路原理如圖３左框圖。它由三部分組成：微控制器ＳＸ５２、獨立ＣＡＮ通信控制器ＳＪＡ１０００、ＣＡＮ總線收發器８２Ｃ２５０。其中ＳＸ５２為唯一的ＣＰＵ核心，負責ＳＪＡ１０００的初始化，通過讀寫ＳＪＡ１０００內部寄存器實現數據的接收、發送和錯誤處理等。ＰＣＡ８２Ｃ２５０則提供對總線的差動發送能力和對ＣＡＮ控制器的差動接收能力。
以太網控制器協議轉換模塊主要由微控制器ＳＸ５２、以太網通信控制器ＲＴＬ８０１９ＡＳ和隔離濾波器ＦＢ２００２組成。ＲＴＬ８０１９ＡＳ是臺灣Ｒｅａｌｔｅｋ公司制造的一種高集成度的全雙工１０Ｍｂｐｓ以太網控制芯片，實現了基于Ｅｔｈｅｒｎｅｔ協議的ＭＡＣ層的全部功能，內置１６ＫＢ的ＳＲＡＭ、雙ＤＭＡ通道和ＦＩＦＯ完成數據包的接收和發送功能。在網關設計中，使用跳線模式（ＪＰ置為高）硬配置ＲＴＬ８０１９ＡＳ為８位模式。使用ＲＴＬ８０１９的低５位地址線Ａ０～Ａ４以及低８位數據線Ｄ０～Ｄ７。ＳＸ５２的Ｂ口的Ｂ０～Ｂ４腳作為地址線連接ＲＴＬ８０１９ＡＳ的低５位地址線，Ｂ５～Ｂ７作為控制線分別連接讀寫時序控制腳ＩＯＲＢ、ＩＯＷＢ、ＩＯＣＨＲＤＹ；Ｃ口作為數據線連接ＲＴＬ８０１９ＡＳ的低８位數據線；Ａ口保留，用作日后擴展。圖３中ＡＴ２４Ｃ６４為８ＫＢ ＥＥＰＲＯＭ，主要用來保存嵌入式透明ＳＸ－５２網關的配置信息，如網關ＩＰ地址、ＭＡＣ地址和ＳＪＡ１０００的ＩＤ網絡標示符、網絡掩碼ＡＭＲ和總線定時（ＢＴＲ０、ＢＴＲ１）等。這樣，可以靈活方便地修改網關參數，適應不同環境，同時也考慮到以后的擴展。
ＲＴＬ８０１９ＡＳ除與ＳＸ５２連接外，還將其網絡收發器的４根引腳ＴＰＯＵＴ＋、ＴＰＯＵＴ－、ＴＰＩＮ＋、ＴＰＩＮ－通過外接的隔離濾波器ＦＢ２００２與以太網相連。采用隔離濾波器ＦＢ２００２是為了提高網絡通信的抗干擾能力。
３ 軟件設計
整個互聯系統的軟件設計可以分為三部分：ＣＡＮ總線設備接口通信程序、透明網關協議轉換程序和以太網層應用程序設計。其中，ＣＡＮ總線設備接口通信程序和透明網關協議轉換程序的ＣＡＮ控制器協議模塊在結構上有較大的相似性，但有可能因采用微控制器不同而導致實現的程序語言相異。因而，在此不作論述，而主要討論后兩個方面的程序設計。
３．１ 透明網關協議轉換程序
透明網關協議轉換程序的整體設計思路為：當以太網
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