CAN总线与以太网在嵌入式网关中的应用

随着网络技术和微处理器技术的发展，网络和信息家电已越来越多地出现在人们的生活之中，这一切使得家电总线网络的趋势已不可逆转。而为了使这一趋势得以实现，连接Internet网络的嵌入式网关是其关键。

从现实来看，以太网扩展了现有的系统，但是现场总线不可能完全被工业以太网替代，后者的潜力巨大，其应用领域一定会不断扩大。所以，将现场总线与以太网结合，从而实现底层生产与上层管理的紧密集成，已经成为一种趋势。CAN总线作为国际上应用最广泛的现场总线之一，在我国也得到了很广泛的应用，该设计以 CAN总线作为工业现场总线，实现其与以太网的互联。

以太网（Ethernet）指的是由最早由Xerox（施乐）公司创建，在1980年，DEC、lntel和Xerox三家公司联合开发成为一个标准。以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网（10Mbit/s）、快速以太网（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太网，采用的是CSMA/CD访问控制法，它们都符合IEEE802.3.是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802·3系列标准相类似。

1 硬件结构

CAN是控制器局域网络（ControllerAreaNetwork,CAN）的简称，是由研发和生产汽车电子产品着称的德国BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准（ISO118?8）。是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境

目前，对于CAN和以太网相连的嵌入式网关设计主要有两种方法：一种是低档MCU加接口芯片的设计方法，另一种是高档MCU加EOS（实时多任务操作系统）再加接口芯片的设计方法。因CAN只采用了ISO/OSI参考模型的一、二层，协议相对简单，比较适合用于低成本、速率要求不高的离散控制系统。从合理的成本和有效利用处理能力这两方面考虑，该设计采用低档MCU加接口芯片的方法，其硬件框图见图 1.

1.1 主控芯片及以太网接口模块

根据要求，该系统选择了性能价格比较高的Atmel公司生产的AT89C55单片机。它是面向测控对象和嵌入式应用的，所以它的体系结构以及CPU、指令系统、外围单元电路都是按照这种要求专门设计的。它内部带高达20 KB的FLASH程序存储器，AT89C55完全兼容8051指令集，片上FLASH方便了使用者进行在线编程，工作速率最高可达33 MHz,256 B的内部RAM,32个可编程的I/O口，3个16位的定时/计数器，8个中断源，支持低功耗的空闲工作模式。以太网接口选用的是RTL8019AS芯片，它是由Realtek公司生产的一种高度集成的以太网控制器，能实现以太网媒介访问层（MAC）和物理层（PHY）的全部功能。RTL8019AS内部有两个RAM区域：一是16 KB,地址为0x4000~0x7fff,要接收和发送数据包必须通过DMA读写RTL8019AS内部的16 KB的RAM,它实际上是双端口RAM,即有两条总线与其连接，一条总线用于RTL8019AS读/写或写/读该RAM,即本地DMA;另一条总线用于单片机读或写该RAM,即远程DMA;二是32个字节，地址为0x0000~0x001F,用于存储以太网物理地址。主控芯片和以太网接口芯片的硬件接口原理图见图2.值得注意的是由于以太网的包最大可以超过1 500个字节，AT89C55的片内RAM只有256个字节，因此无法存储这么大的包，所以这里扩展了一个32 KB的外部RAM,这样同时也能提高单片机的数据传输速度。

RAM（随机存取存储器）RAM-randomaccessmemory随机存储器。存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。按照存储信息的不同，随机存储器又分为静态随机存储器（StaticRAM,SRAM）和动态随机存储器（DynamicRAM,DRAM）。

1.2 CAN接口模块

组成CAN系统的主要器件是CAN控制器和收发器。该设计中，CAN接口模块选用SJA1000芯片和PCA82C250芯片。SJA1000是一个独立的CAN控制器，它是Philips公司另一个CAN控制器PCA82C200的替代产品，且增加了一种新的工作模式（Peli CAN），这种模式支持CAN 2.0B协议。SJA1000主要完成CAN的通信协议，实现报文的装配和拆分、接收信息的过滤和校验等。

PCA82C250是CAN控制器与物理总线之间的接口，主要用于增强系统的驱动能力。采用收发器的系统中，节点数至少可以达到110个，同时还具有降低射频干扰（RFI）和很强的抗电磁干扰 （EMI）能力。在处理这部分电路时，有几个地方要特别注意：

（1）晶振电路的问题。89C55和SJA1000都应该有各自独立的晶振电路，不能够用SJA1000的时钟输出信号CLKOUT来驱动单片机。

（2）复位引脚的问题。虽然SJA1000的复位是低电平，但不能通过一个非门直接连接单片机的复位引脚。一般对解决复位引脚问题有两种方式：第一种是使用单片机的I/O引脚控制SJA的复位引脚，其好处是单片机可以完全控制SJA的复位过程；第二种是采用适当的复位芯片，为了降低成本，该设计采取的是第一种方法。

（3）RX1引脚的电位必须维持在约0.5 VCC上，否则将不能形成CAN协议所要求的逻辑电平。

（4）一定要注意电缆的终端阻抗匹配，它直接影响CAN总线是否能正常工作和网络性能。CAN接口模块的硬件电路图见图3,在PCA82C250的RS脚上接有一个斜率电阻R,可根据总线通信速度适当调整电阻的大小。

2 通信模块软件设计

2.1 SJA1000驱动程序的实现

SJA1000是一种独立的CAN控制器，主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。它是Philips半导体公司PCA82C200CAN控制器（BasicCAN）的替代产品，而且它增加了一种新的操作模式--PeliCAN,这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。

SJA1000驱动程序是由SJA的初始化函数、发送函数、接收函数组成的，图4所示为其流程图。

（1）SJA1000的初始化。SJA1000在系统上电、硬件复位或主控制器发出复位命令后需要进行初始化，以设定它的工作模式、通信速率、输出控制方式和标识符屏蔽格式等重要参数。CAN控制器SJA1000的初始化只能在复位模式下才能完成。程序的流程图如图4所示。

首先程序检测CAN接口是否正常工作，即向SJA1000的测试寄存器写入并读出，校验其结果是否一致，如果结果一致则进入复位模式进行初始化设置。在初始化的过程中，如果对某个寄存器的设置超过规定的时间还未完成，则认为初始化失败，初始化程序自动发送错误信号。

（2）数据的发送与接收。SJA1000芯片有一个报文发送缓冲区和两个报文接收缓冲区，用于CAN报文传送。数据从CAN控制器SJA1000发送到 CAN总线首先是由CAN控制器自动完成的，发送数据程序把数据存储区中待发送的数据取出，组成信息帧，并将主机的ID地址填人帧头；然后将信息帧发送到 CAN控制器的发送缓冲区；最后启动发送命令即可。信息从CAN总线到CAN接收缓冲区也是由CAN控制器自动完成的。接收程序只需从接收缓冲区读取要接收的信息，并将其存储在数据存储区即可。

2.2 RTL8019AS驱动程序的实现

RTL8019AS以太网控制器是由Realtek公司出的一款高集成度的以太网控制芯片，具有8/16位总线模式，集成了IEEE802.3协议标准的介质访问控制子层（MAC）和物理层的性能，与NE2000相兼容，支持以太网全双工通信方式，支持UTP,AUI和BNC自动检测，支持16条I/O基本地址选项和额外I/O地址输入输出完全解码方式，支持存储器瞬时读写，收发可同时达到10Mbps的速率，内置16KB的SRAM,可以方便的与微处理器进行连接

RTL8019AS的驱动程序和SJA的驱动程序一样，有3种功能：芯片初始化、收包、发包。

（1）RTL8019AS的初始化。RTL8019AS的初始化过程比较复杂，但十分重要，它决定了通信过程中的一些重要参数。如设置相关工作模式的寄存器，分配和初始化接收及发送缓冲区，初始化网卡接收地址等，其流程图见图5所示。

（2）数据的发送与接收。因为在RTL8019AS的初始化程序中已经完成了以太网的物理地址设置，并指定了发送缓冲区起始页面地址寄存器TPSR.此外，RTL8019AS的CRC校验自动生成器也被使能，所以RTL8019AS的数据包发送程序相对要简单。在数据包的发送过程中，AT89C55只要通过远程DMA将待发送的数据包写至RTL8019AS片内SRAM的发送缓冲区，并启动发送过程即可。

在接收数据包时，有查询和中断两种方式，鉴于AT89C55的处理能力有限，在该设计中采用查询方式，根据判断CURB==BNRY+1,可以判断是否收到新的数据包，如果有则通过DMA读操作从网卡芯片RAM读出数据。

2.3 网关协议转换流程

嵌入式网络接口实现两种网络的互连。当以太网应用层有数据要发送到CAN节点时，首先将数据发送到网关，由以太网控制器协议转换模块解析完整的CAN协议数据包，通过CAN控制器发送到CAN总线。反之，当CAN设备有数据要发送到用户层时，首先将数据发送到透明网关，由CAN控制器协议模块将完整的CAN协议数据包存放在缓冲区，再通知主控芯片，由它调用以太网控制协议转换模块，将完整的 CAN协议数据包作为应用层数据封装起来，再发送到以太网的应用层。

3 结 语

这里介绍的是一种低成本、高可靠性、快捷的CAN以太网网关的硬件、软件设计方案，通过实际应用证明，该设计可以作为CAN总线节点的一个模块，能够与仪器仪表等设备相结合，使其具有网络通信的能力，比较同类产品的设计，该设计能大大提高其性价比。