一種基于CAN總線與以太網的嵌入式網關經典設計

來源：互聯網  作者：佚名2014年09月17日 19:06

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[導讀] 近年來，隨著以太網技術的進一步發展和完善，特別是通信速率的提高和交互技術的應用，使得以太網技術應用于現場控制領域成為可能，這對工業控制網絡產生了新的影響。

關鍵詞：CAN以太網

　　近年來，隨著以太網技術的進一步發展和完善，特別是通信速率的提高和交互技術的應用，使得以太網技術應用于現場控制領域成為可能，這對工業控制網絡產生了新的影響。從目前的趨勢來看，以太網己經進入了現場控制級，但是已有的現場總線仍將繼續存在，工業以太網只能占領一定的市場。

　　從現實來看，以太網擴展了現有的系統，但是現場總線不可能完全被工業以太網替代，后者的潛力巨大，其應用領域一定會不斷擴大。所以，將現場總線與以太網結合，從而實現底層生產與上層管理的緊密集成，已經成為一種趨勢。CAN總線作為國際上應用最廣泛的現場總線之一，在我國也得到了很廣泛的應用，該設計以 CAN總線作為工業現場總線，實現其與以太網的互聯。

　　1 硬件結構

　　目前，對于CAN和以太網相連的嵌入式網關設計主要有兩種方法：一種是低檔MCU加接口芯片的設計方法，另一種是高檔MCU加EOS（實時多任務操作系統）再加接口芯片的設計方法。因CAN只采用了ISO／OSI參考模型的一、二層，協議相對簡單，比較適合用于低成本、速率要求不高的離散控制系統。從合理的成本和有效利用處理能力這兩方面考慮，該設計采用低檔MCU加接口芯片的方法，其硬件框圖見圖 1。

　　1．1 主控芯片及以太網接口模塊

　　根據要求，該系統選擇了性能價格比較高的Atmel公司生產的AT89C55單片機。它是面向測控對象和嵌入式應用的，所以它的體系結構以及CPU、指令系統、外圍單元電路都是按照這種要求專門設計的。它內部帶高達20 KB的FLASH程序存儲器，AT89C55完全兼容8051指令集，片上FLASH方便了使用者進行在線編程，工作速率最高可達33 MHz，256 B的內部RAM，32個可編程的I／O口，3個16位的定時／計數器，8個中斷源，支持低功耗的空閑工作模式。以太網接口選用的是RTL8019AS芯片，它是由Realtek公司生產的一種高度集成的以太網控制器，能實現以太網媒介訪問層（MAC）和物理層（PHY）的全部功能。RTL8019AS內部有兩個RAM區域：一是16 KB，地址為0x4000～0x7fff，要接收和發送數據包必須通過DMA讀寫RTL8019AS內部的16 KB的RAM，它實際上是雙端口RAM，即有兩條總線與其連接，一條總線用于RTL8019AS讀／寫或寫／讀該RAM，即本地DMA；另一條總線用于單片機讀或寫該RAM，即遠程DMA；二是32個字節，地址為0x0000～0x001F，用于存儲以太網物理地址。主控芯片和以太網接口芯片的硬件接口原理圖見圖2。值得注意的是由于以太網的包最大可以超過1 500個字節，AT89C55的片內RAM只有256個字節，因此無法存儲這么大的包，所以這里擴展了一個32 KB的外部RAM，這樣同時也能提高單片機的數據傳輸速度。

　　1．2 CAN接口模塊

　　組成CAN系統的主要器件是CAN控制器和收發器。該設計中，CAN接口模塊選用SJA1000芯片和PCA82C250芯片。SJA1000是一個獨立的CAN控制器，它是Philips公司另一個CAN控制器PCA82C200的替代產品，且增加了一種新的工作模式（Peli CAN），這種模式支持CAN 2．0B協議。SJA1000主要完成CAN的通信協議，實現報文的裝配和拆分、接收信息的過濾和校驗等。

　　PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，主要用于增強系統的驅動能力。采用收發器的系統中，節點數至少可以達到110個，同時還具有降低射頻干擾（RFI）和很強的抗電磁干擾 （EMI）能力。在處理這部分電路時，有幾個地方要特別注意：

　　（1）晶振電路的問題。89C55和SJA1000都應該有各自獨立的晶振電路，不能夠用SJA1000的時鐘輸出信號CLKOUT來驅動單片機。

　　（2）復位引腳的問題。雖然SJA1000的復位是低電平，但不能通過一個非門直接連接單片機的復位引腳。一般對解決復位引腳問題有兩種方式：第一種是使用單片機的I／O引腳控制SJA的復位引腳，其好處是單片機可以完全控制SJA的復位過程；第二種是采用適當的復位芯片，為了降低成本，該設計采取的是第一種方法。

　　（3）RX1引腳的電位必須維持在約0．5 VCC上，否則將不能形成CAN協議所要求的邏輯電平。

　　（4）一定要注意電纜的終端阻抗匹配，它直接影響CAN總線是否能正常工作和網絡性能。CAN接口模塊的硬件電路圖見圖3，在PCA82C250的RS腳上接有一個斜率電阻R，可根據總線通信速度適當調整電阻的大小。

　　2 通信模塊軟件設計

　　2．1 SJA1000驅動程序的實現

　　SJA1000驅動程序是由SJA的初始化函數、發送函數、接收函數組成的，圖4所示為其流程圖。

　　（1）SJA1000的初始化。SJA1000在系統上電、硬件復位或主控制器發出復位命令后需要進行初始化，以設定它的工作模式、通信速率、輸出控制方式和標識符屏蔽格式等重要參數。CAN控制器SJA1000的初始化只能在復位模式下才能完成。程序的流程圖如圖4所示。

　　首先程序檢測CAN接口是否正常工作，即向SJA1000的測試寄存器寫入并讀出，校驗其結果是否一致，如果結果一致則進入復位模式進行初始化設置。在初始化的過程中，如果對某個寄存器的設置超過規定的時間還未完成，則認為初始化失敗，初始化程序自動發送錯誤信號。

　　（2）數據的發送與接收。SJA1000芯片有一個報文發送緩沖區和兩個報文接收緩沖區，用于CAN報文傳送。數據從CAN控制器SJA1000發送到 CAN總線首先是由CAN控制器自動完成的，發送數據程序把數據存儲區中待發送的數據取出，組成信息幀，并將主機的ID地址填人幀頭；然后將信息幀發送到 CAN控制器的發送緩沖區；最后啟動發送命令即可。信息從CAN總線到CAN接收緩沖區也是由CAN控制器自動完成的。接收程序只需從接收緩沖區讀取要接收的信息，并將其存儲在數據存儲區即可。

　　2．2 RTL8019AS驅動程序的實現

　　RTL8019AS的驅動程序和SJA的驅動程序一樣，有3種功能：芯片初始化、收包、發包。

　　（1）RTL8019AS的初始化。RTL8019AS的初始化過程比較復雜，但十分重要，它決定了通信過程中的一些重要參數。如設置相關工作模式的寄存器，分配和初始化接收及發送緩沖區，初始化網卡接收地址等，其流程圖見圖5所示。

　　（2）數據的發送與接收。因為在RTL8019AS的初始化程序中已經完成了以太網的物理地址設置，并指定了發送緩沖區起始頁面地址寄存器TPSR。此外，RTL8019AS的CRC校驗自動生成器也被使能，所以RTL8019AS的數據包發送程序相對要簡單。在數據包的發送過程中，AT89C55只要通過遠程DMA將待發送的數據包寫至RTL8019AS片內SRAM的發送緩沖區，并啟動發送過程即可。

　　在接收數據包時，有查詢和中斷兩種方式，鑒于AT89C55的處理能力有限，在該設計中采用查詢方式，根據判斷CURB==BNRY+1，可以判斷是否收到新的數據包，如果有則通過DMA讀操作從網卡芯片RAM讀出數據。

　　2．3 網關協議轉換流程

　　嵌入式網絡接口實現兩種網絡的互連。當以太網應用層有數據要發送到CAN節點時，首先將數據發送到網關，由以太網控制器協議轉換模塊解析完整的CAN協議數據包，通過CAN控制器發送到CAN總線。反之，當CAN設備有數據要發送到用戶層時，首先將數據發送到透明網關，由CAN控制器協議模塊將完整的 CAN協議數據包存放在緩沖區，再通知主控芯片，由它調用以太網控制協議轉換模塊，將完整的 CAN協議數據包作為應用層數據封裝起來，再發送到以太網的應用層。

　　3 結 語

　　這里介紹的是一種低成本、高可靠性、快捷的CAN以太網網關的硬件、軟件設計方案，通過實際應用證明，該設計可以作為CAN總線節點的一個模塊，能夠與儀器儀表等設備相結合，使其具有網絡通信的能力，比較同類產品的設計，該設計能大大提高其性價比

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