嵌入式CAN-Ethernet接入網關的設計與實現

摘要:針對煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中 CAN現場總線與以太網互聯(lián)的需求,采用 32位 RISC ARM處理器，設計了 CAN-Ethernet嵌入式接入網關，運行在 Linux嵌入式實時操作系統(tǒng)上。詳細介紹了網關的硬件與軟件設計方案，實現了 CAN總線與以太網的無縫連接。經現場應用驗證，該網關較好地完成了兩種網絡之間的協(xié)議轉換和數據通信。

1引言

現場總線 CAN-bus最早由德國 Bosch公司提出，主要用于汽車內部單元與控制中心之間的數據通信[1]，由于其在網絡開放性、通訊可靠性、數據傳輸實時性、系統(tǒng)設計成本、系統(tǒng)擴展能力、糾錯能力等方面具有強大的優(yōu)勢，使得 CAN現場總線越來越受到人們的關注。而且基于開放的現場總線 CAN-bus技術，構建煤礦行業(yè)的通訊網絡，或開發(fā)特定功能的通訊設備，都已經不會存在技術上的門檻。CAN-bus本身也是符合本質安全要求的，所以當 CAN-bus應用于煤礦通訊系統(tǒng)時，也立即獲得了廣大設備用戶的認可，成為煤礦行業(yè)中首選的設備通信網絡，通過由 CAN-bus構建的煤礦現場設備網絡，管理者和主控設備能即時了解、處理當前的礦井情況，發(fā)覺事故隱患，避免危機的發(fā)生。同時，煤礦系統(tǒng)中工業(yè)以太網技術也日趨成熟。CAN-bus現場總線與以太網互連，既能保證工業(yè)現場數據的可靠實時傳輸，又能滿足數據信息的分析、記錄、管理以及遠程共享管理，推進煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的標準化和開放性，實現現代化煤礦的綜合自動化。而 CAN-bus和以太網采用的是不同的通信標準，要實現它們之間的互聯(lián)就要通過總線標準轉換設備(即網關)來實現。

本文設計開發(fā) CAN-Ethernet網關，實現了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的井下 CAN總線設備與以太網的互連互通，從而將現場總線設備接入到無處不在的 Internet網絡，實現數十公里以外，乃至整個地區(qū)的數據采集和管理滿足煤礦行業(yè)現場數據的現代化管理要求。2硬件設計

本網關的硬件部分主要由協(xié)議轉換模塊、CAN總線接口模塊和以太網接口模塊等部分組成。本網關系統(tǒng)還提供了 RS232接口模塊，用來在調試過程中與 PC機進行通信，串口作為控制臺輸入調試命令，顯示調試結果。內置工業(yè)級電源系統(tǒng)，支持擴展電源輸出，用于為其他設備提供電源。系統(tǒng)硬件結構如圖 1所示。

圖1硬件結構圖

2.1協(xié)議轉換模塊

協(xié)議轉換模塊是嵌入式網關的核心，由嵌入式微處理器及大容量的存儲系統(tǒng)組成。微處理器采用 S3C2410A，S3C2410A是三星公司推出的基于 ARM920T內核的 16/32位 RISC嵌入式微處理器。配置了兩片 HY57V561620并聯(lián)構成的 32位 64MB SDRAM存儲系統(tǒng)，存放系統(tǒng)運行時的用戶數據、堆棧等信息。FLASH選用一片 64M的 K9F1208U0B，它是一款 NAND flash存儲器，用來存放用戶應用程序、嵌入式操作系統(tǒng)及現場總線傳輸來的數據

2.2 CAN總線接口模塊

CAN總線接口模塊實現網關與 CAN總線設備的互聯(lián)。網關的 CAN總線接口采用的是兩片SJA1000CAN總線控制器和兩片 TJA1050高速 CAN收發(fā)器。此外，在煤礦井下環(huán)境中，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，電路中要采用光電隔離技術將嵌入式網關內部電路與現場總線進行電氣隔離，保護網關的正常準確工作，因此在 CAN控制器與收發(fā)器之間使用光耦 6N137進行隔離，在光耦前后需要采用 2個相互隔離的 DC5V電源，本系統(tǒng)選用 B0505S-1W DC-DC變換器，實現系統(tǒng)與外界的真正隔離，抑制干擾的串入。SJA1000與微處理器的接口是以外部存儲器的方式，數據線與地址線共用，基地址由 SJA1000的片選信號 CS決定,本設計中其地址定義在 BANK5中，因此使用此基地址加上 SJA1000內部寄存器地址的偏移量就可以訪問 SJA1000內部 RAM空間;SJA1000的模式輸入引腳(MODE)接正 5V電源，使其在 intel模式下工作;將 SJA1000的中斷輸出 INT引腳分別接 S3C2410A的 INT16和 17，使得數據接收采用了中斷方式。

2.3以太網接口模塊

自適應以太網接口模塊提供了網關接入以太網的接口。以太網控制器采用DM9000，它具有高度的集成性，具有獨特的 Packetpage結構可自動適應網絡通信量模式的改變和現有系統(tǒng)資源，使網關以 10Mb/s或 100Mb/s的速率接入以太網網絡。DM9000與 CPU按照16位方式連接，以太網控制芯片復位后默認工作方式為 I/O連接。

3軟件設計

本網關的設計采用了基于消息隊列的多線程以及多進程的方式，實現了CAN總線數據收發(fā)和以太網通信的同步;以太網通信程序采用流行的 socket套接字編程，傳輸層協(xié)議選擇UDP(用戶數據報協(xié)議)。要實現進程間通信，可以通過管道、信號量、消息隊列及共享內存區(qū)等多種方式，在不同的系統(tǒng)中使用時各有優(yōu)點，文獻[2]中提出，經測試，對于小消息(100字節(jié)左右)，在除了darwin6.6以外的所有系統(tǒng)中，system Ⅴ消息隊列性能最好。而網關中每次收發(fā)的數據也在 100個字節(jié)以內。所以本設計中使用system Ⅴ消息隊列在進程間傳送數據。

在軟件設計上可將其分為兩大部分：CAN總線設備通信程序進程(主程序)和協(xié)議轉換及以太網通信程序進程(server)。

3.1 CAN總線設備通信程序

主程序中，初始化包括模式寄存器MOD、命令寄存器CMR、狀態(tài)寄存器SR、總線定時寄

存器BTR0，BTR1、驗收代碼寄存器ACR、驗收屏蔽寄存器 AMR和輸出控制寄存器 OCR等的設置。下面將創(chuàng)建 3個線程，CAN數據接收線程(CAN.receive)、CAN數據發(fā)送線程(CAN.send)和調用 server進程的線程。這就保證了兩個 CAN口能分別同時接收和發(fā)送數據,網關同時也能與上位機軟件通信。

CAN.receive線程 ： for(;;) {if CAN0口有數據

break;} read(ca,rcvbuf,0);//從底層現場總線網絡中接受各種智能設備采集的實時數據或報警信息，將其存入緩沖區(qū)，然后將 rcvbuf中數據放入 msg0.buffer

msgsend(msgid,msg0,sizeof(struct msgtype0),0);//將數據發(fā)送到消息隊列 0中。這里發(fā)送到消息隊列上的數據包括 CAN報文的 ID識別碼，RTR幀等信息，即不解析收到的CAN數據包內容，直接將其發(fā)送到消息隊列 0

CAN.send線程： msgrecv(msgid,msg1,sizeof(struct msgtype1),2,0);//從消息隊列1中讀取數據 添加本地 CAN地址，寫入發(fā)送緩沖區(qū)sendbuf; write(ca,sendbuf,1);//將從緩沖區(qū)中讀取的數據通過 CAN1口發(fā)送到目的CAN節(jié)點當然,也可以只用一個 CAN口實現CAN數據收發(fā),但這時要注意防止 CAN口的收發(fā)沖突,

這就要加入互斥鎖[3]。 CAN總線設備通信程序主要流程如圖 2所示。

3.2協(xié)議轉換及以太網通信程序

我們知道，CAN協(xié)議為了提高實時性采用了短幀結構，而以太網幀相對要長得多;CAN協(xié)議采用載波偵聽多路存取/消息優(yōu)越仲裁(CSMA/AMP)機制解決沖突，而以太網幀采用CSMA/CD機制。這兩點構成了 CAN與以太網之間的主要差異，也使得 CAN-Ethernet網關的轉換協(xié)議復雜度提高，但由于本系統(tǒng)中采用了 Server/Client的通信服務模式，網關即作為服務端，相對于文獻[4]省去了網關與服務器通信這一過程,所以轉換協(xié)議也相對較簡單。

在本系統(tǒng)中，由于網關實現的是 CAN總線報文和 UDP報文的數據轉發(fā)，任務相對簡單，因此傳輸層協(xié)議選擇較為簡潔的 UDP協(xié)議，建立無連接的服務端。服務端首先確立端口號，通過調用 Socket建立套接字，然后使用 bind綁定本地地址，通過調用 sendto()和 recvfrom()就可以向以太網發(fā)送和接收數據。 定義 Socket地址常用的是 sockaddr_in結構，該結構如下所示： struct sockaddr_in {

在本系統(tǒng)中，Socket地址定義為gatewayAddr，端口號設置為8888。不同的計算機存放多字節(jié)值的順序不同，有的計算機在起始地址存放低字節(jié)，有的則起始存放高字節(jié)，為了程序的可移植性，需要將主機字節(jié)順序轉換成網絡字節(jié)順序。調用htons()將端口號 8888轉換成網絡字節(jié)順序，然后賦值給 gatewayAddr.sin_port。gatewayAddr.sin_addr. s_addr定義了主機的 IP地址，在本系統(tǒng)中并不關心主機的 IP地址，故將主機的 IP設置為INADDR_ANY，即可以偵聽局域網內的任一主機的報文。

協(xié)議轉換與以太網通信程序流程如圖 3所示。

if有udp報文到達{ recvfrom(gatewayfd,rcvbuf1,sizeof(rcvbuf1),0,(structsockaddr *)cliaddr, clilen);//接收以太網報文

將rcvbuf1內數據放入消息隊列msg1.buffer;}

else if 消息隊列 0有 CAN報文 //通過判斷 CAN報文標志位來實現

{ msgrcv(msgid,msg0,sizeof(struct msgtype0),1,0);//接受消息隊列 0中數據

置位 CAN報文標志位;

將消息隊列值讀入rcvbuf0;

sendto(gatewayfd,rcvbuf0,sizeof(struct rcvbuf0),(struct sockaddr *)cliaddr,clilen); }//將 UDP報文發(fā)送到以太網

else return;

4應用

該網關應用于基于 CAN總線的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和測控設備接入以太網的場合，已經在江蘇徐州大屯煤電公司姚橋煤礦得到了應用，目前設備運行良好。應用本網關可以解決現場總線設備接入以太網的問題，真正實現了大范圍的數據采集和管理，滿足了煤礦企業(yè)的現代化管理要求。CAN-Ethernet網關在井下監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中的位置如圖 4所示。

5結束語

本文的創(chuàng)新點：本文設計的 CAN-Ethernet網關，采用ARM 處理器，軟件上采用消息隊列機制實現不同進程間通信，實現了基于CAN總線的煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)與礦井綜合業(yè)務數字網的互聯(lián),為煤礦企業(yè)信息化建設奠定了基礎。本設計實現的 CAN-Ethernet通信程序，無須另外添加轉換接口設備，在原有硬件基礎上僅通過軟件修改即可實現 CAN與以太網的互聯(lián)。