CAN总线到Ethernet网的网关研究实现

引言

CAN总线是一种开放式、数字化、多点通信的控制系统局域网络，是当今自动化领域中最具有应用前景的技术之一。由于CAN总线具有通信速率高、开放性好、报文短、纠错能力强以及控制简单、扩展能力强、系统成本低等特点，越来越受到人们的关注。以太网具有快速、灵活、方便、可靠的特长，如果把现场总线与以太网互联的话，可实现过程控制中从设备层到管理层的一体化，使得企业可以广泛地应用如互联网、无线通信、智能设备和决策支持系统等新技术，以达到提高效率和降低成本的目的。

硬件设计

硬件选择
要实现现场总线设备接入Internet，关键就是要实现TCP/IP 协议、以及传输信息介质的选择。笔者用SX52微控制器作为处理器， 以太网驱动芯片RTL8019AS经耦合隔离滤波器HR61101G和RJ45接口接入以太网，配有RS232和CAN总线两个扩展接口，可以将具有RS232接口的设备或采用CAN总线协议通信的设备连到以太网上。RS232接口采用MAX232CPE芯片，CAN总线控制器采用Philips公司的SJA1000芯片，CAN收发器采用PCA82C250芯片。硬件结构框图见图1。

图1 　硬件结构框图
工作原理为:当以太网中发送数据和请求，通过RJ45送到RTL8019AS，RTL8019AS 负责将处理后的以太网帧送入SX52的TCP/IP协议栈，由协议栈对数据报进行解析，得到原始的请求和控制信息。请求和控制信息再经过SJA1000进行CAN协议格式的数据封装，然后和现场的CAN总线设备进行通信。请求和控制的回复信息到局域网的过程与上面正好相反。

硬件电路图
在CAN到Ethernet网关的硬件设计中，在确保通信功能顺利实现的同时，充分利用了SX52芯片I/O口灵活配置的特点，最大程度地节约了微控制器SX52的硬件资源。其电路简图见图2。

图2 　电路简图

SX52有5个I/O口共40个引脚，在设计中利用SX52的C口的RC0～RC7连接RTL8019AS的数据口SD0～SD7，SX52的B口兼顾选址和读写控制功能，在开发中用它与RTL8019AS 的地址及读写控制引脚连接。RTL8019AS 基地址选择引脚IOS0～ IOS3接地，此时I/O基地址为300H，即001100000000，所以地址线SA9、SA8接+ 5V。又因为寄存器地址偏移量为00H～1FH 共32个，对应地址从300H到31FH，所以只需将地址线SA0～SA4接SX52 的RB0～RB4，其余地址线接地即可。芯片IORB、IOWB引脚为读写信号线，接SX52的RB6、RB5读写控制引脚。RTL8019AS 可以兼容8位和16位操作。图2中IOCS16是16位I/O的选择脚，当RTL8019AS上电复位的时候，如果这个脚为低电平，选择8位模式，为高电平选择16位模式。由于SX52是8位的数据总线，因此要用8位总线模式，所以将这个脚接地。RTL8019AS有3种工作方式，笔者采用第一种工作方式，此时JP 引脚接高电平。AUI引脚决定使用AUI还是BNC接口。高电平时使用AUI 接口，低电平时使用BNC接口，支持8线双绞线或同轴电缆。设计中采用双绞线为通信介质，将该引脚接地。RTL8019AS 使用引脚TPIN+ 、TPIN- 、TPOUT+和TPOUT-连接耦合隔离滤波器HR61101G，通过RJ45插头实现与以太网的连接。SJA1000是独立的CAN 通信控制器， 支持CAN2.0B协议。它的AD0～AD7为地址数据复用线，与SX52的D口RD0～RD7相连。当远程用户通过Web服务器查询现场的CAN总线数据时，SJA1000将现场控制单元的CAN 总线数据解析，发送到SX52，再传到Internet。PCA82C250对总线提供发送能力并对CAN控制器提供接收能力，它支持1Mbps的速度。为保证SX52与SJA1000协同工作，在硬件设计中将两个芯片共用一个硬件复位线，以确保SX52与SJA1000硬件同步复位。MAX232CPE完成232电平与TTL电平转换。用于提供一个本地接口，为调试和维护提供方便。TXD接SX52的RA2脚，RXD接SX52的RA3脚，RS—RXD和RS—TXD是RS232电平，为标准串口电平。数据可以从串口输入到单片机SX52，SX52再把数据送到RTL8019AS。

网关的软件设计

　　整个互联系统的软件设计可以分为3个部分:CAN总线设备接口通信程序、网关协议转换程序和基于以太网的TCP/IP协议的程序实现。

网关协议转换程序
网关协议转换程序的整体设计思路为:当以太网应用层有数据要发送到CAN节点时，首先，数据发送到网关，由以太网控制器协议转换模块从UDP数据报文中解析出完整的CAN 协议数据包，存放在数据缓冲区A，再调用CAN 控制器协议模块将它发送到CAN 总线上。反过来，当CAN 设备有数据要发送到用户层时，首先数据发送到网关，由CAN控制器协议模块将完整的CAN 协议数据包存放在数据缓冲区B，再调用以太网控制器协议转换模块将完整的CAN协议数据包作为应用层数据封装发送到以太网应用层。

CAN 控制器协议模块
CAN 控制器协议转换模块程序主要由SJA1000的寄存器读、写程序，初始化程序和发送、接收程序5 个子程序组成。之所以要编写单独的SJA1000寄存器读、写子程序，这是由SX52 芯片只有I/O端口的特点所决定的。

(1) 读SJA1000 寄存器子程序CANRead()其过程为:Re引脚设为输出；CS片选清零；Rd引脚设为输出；输出地址；置位ALE；延时20 ns ；ALE位清零；Rd 引脚设为输入；/Read 位清零；读入数据；延时20ns ；/Read 位置位；CS片选置位；返回。

(2) 写SJA1000寄存器子程序CANWrite()其过程为:Re引脚设为输出；CS片选清零；置位ALE；Rd 引脚设为输出；输出地址；ALE位清零；/wr位清零；输出数据；延时20ns；CS片选置位； 返回。

(3) SJA1000初始化子程序CANInit()选用CAN2.0A协议构建CAN总线控制网络，对SJA1000的初始化主要完成控制寄存器CR、验收代码寄存器ACR、验收屏蔽寄存器AMR、总线定时寄存器BTR0，1和输出控制寄存器OCR的设置。

(4) 发送接收子程序txdsub()，rxdsub()发送子程序负责节点报文的发送，由CAN控制器SJA1000独立完成。主控制器SX52只需将数据缓冲区A中已按CAN2.0A协议格式组合成的一帧报文送入SJA1000 发送缓冲区中，然后将命令寄存器里的发送请求标志置位，即可发送报文。

接收子程序负责节点报文的接收。SJA1000自动接收发往该节点的数据并将收到的数据放到它的接收缓冲器中。SJA1000 的报文接收主要有两种方式:中断接收方式和查询接收方式。该系统采用查询接收方式。可以发送给主控制器SX52的接收信息由状态寄存器的接收缓冲器状态标志RBS和接收中断标志RI 标出。SX52将会把这一帧数据包存入数据缓冲区B中，然后释放接收缓冲器，再通知总调度程序，由总调度程序调用以太网控制器协议转换模块转发。

以太网控制器协议转换模块
以太网控制器协议转换模块主要负责从UDP数据包中解析出完整CAN协议报文，存入数据缓冲区A。同时，将数据缓冲区B中的完整CAN协议报文封装成UDP数据报后发送到以太网上。采用UDP协议是考虑到CAN 协议数据报为短帧形式(每个数据帧最多为8个字节)，因为TCP协议要进行3次握手建立连接，这对网络来说无疑是一种资源的浪费。而UDP是无连接的传输，这样可以提高网络传输效率，同时，也减轻网关的处理任务。当然，UDP是不可靠的传输协议。为了提高通信的可靠性，在应用层建立回传校验机制，通过实验
测试表明这种方式是行之有效的。以太网控制器协议转换模块主要由若干个ARP、UDP协议的API函数组成。

TCP/IP应用层程序设计
基于以太网的高层通信协议一般采用TCP/IP协议。这里采用流行的SOCKET套接字编程，传输层协议选择UDP(用户数据报协议)，通过VisualC++编写应用层程序。WinSock提供了对UDP的支持，通过UDP协议可以向指定IP 地址的网关发送CAN 协议数据，同时也可以从它接收CAN协议数据，发送和接收方处于相同的地位没有主次之分。利用CAsyncSocket类操纵无连接的数据发送较简单，首先生成一个本地套接口，然后利用int CAsyncSocket : : SendTo ( constvoid 3 1pBuf ， int nBufLen ， UINT nHostPort ， LPCTSTR1pszHostAddress = NULL ，int nFlags = 0) 发送数据，intCAsyncSocket : : ReceiveFrom ( void 3 1pBuf ， int nBufLen ，CString & rSocketAddess ，UINT & rSocketPort ， intnFlags = 0) 接收数据。利用UDP 协议发送和接收都可以是双向的，即管理主机和SX52网关都可以发送和接收数据。在程序设计中，创建了一个CAsyncSocket 派生类CCanSocket ，该派生类CCanSocket 有若干成员函数，通过这些类成员函数，可以很方便地实现CAN总线到Internet 的通信。

结　论

　　随着Internet技术的日益成熟测控系统网络和以太网将渐渐融合。CAN总线到Internet的互联网关的设计研究是一项具有重要意义的工作，它有非常广阔的应用前景。