CAN總線與以太網(wǎng)互連的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

由于以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和完善，尤其是傳輸速率的提高和交互技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)以其在傳輸速度、可靠性、使用靈活、軟硬件資源豐富等方面的優(yōu)勢(shì)在現(xiàn)場(chǎng)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。CAN總線技術(shù)是目前自動(dòng)化控制領(lǐng)域中最具有前景的技術(shù)之一，它在分散控制效果、開(kāi)放性、糾錯(cuò)能力、價(jià)格等方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，將CAN總線與以太網(wǎng)互連可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制從設(shè)備到管理層的一體化，能夠提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

1 硬件結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用了MCU+接口芯片的方法，其硬件框圖見(jiàn)圖1，系統(tǒng)工作原理為：以太網(wǎng)中發(fā)送數(shù)據(jù)和請(qǐng)求到以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS，RTL8019AS將處理后的以太網(wǎng)幀送入控制器P89V51RC2內(nèi)部的TCP/IP協(xié)議棧，由單片機(jī)內(nèi)部的協(xié)議棧對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行解析后得到原始的請(qǐng)求和控制信息，然后送到CAN控制器進(jìn)行CAN協(xié)議格式和數(shù)據(jù)封裝，經(jīng)過(guò)封轉(zhuǎn)后的數(shù)據(jù)便可以喝現(xiàn)場(chǎng)的CAN總線設(shè)備進(jìn)行通信。回復(fù)信息的過(guò)程與上面相反。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.1 主控芯片及以太網(wǎng)接口模塊

本系統(tǒng)選擇性能價(jià)格比較高的NXP公司的P89V51RC2單片機(jī)，操作頻率為0～40MHz，包含32kB Flash，1024字節(jié)的內(nèi)部存儲(chǔ)器和64kB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，同時(shí)具有低功耗、在系統(tǒng)編程，多時(shí)鐘模式等特點(diǎn)，值得一提的是它的X2方式選項(xiàng)。利用該特性可在相同時(shí)鐘頻率下獲得2倍的吞吐量，或者時(shí)鐘頻率減半而保持特性不變，這樣可以極大地降低電磁干擾(EMI)。P89V51RC2豐富的片上資源非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。

以太網(wǎng)接口選用的是Realtek公司生產(chǎn)的全雙工即插即用型RTL8019AS芯片，RTL8019AS接口符合Ethernet2和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，兼容RTL8019軟件和NE2000的傳輸，芯片是RTL8019內(nèi)核，內(nèi)部集成了一個(gè)16KB雙端口RAM。支持UTP、AUI、BNC、和PNP自動(dòng)檢測(cè)模式，主控芯片和以太網(wǎng)接口芯片的硬件接口原理圖見(jiàn)圖2，系統(tǒng)擴(kuò)展了一個(gè)32K的外部RAM。

圖2 以太網(wǎng)接口電路原理圖

1.2 CAN 接口模塊

CAN模塊的由CAN控制器SJA1000和收發(fā)器CTM1050組成，CAN總線控制器是CAN總線網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的執(zhí)行者，主要完成CAN的通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)報(bào)文的裝配和拆分、接收信息的過(guò)濾和校驗(yàn)等工作。SJA1000是Philips 公司生產(chǎn)的一款高速CAN控制器，其速率最高可達(dá)1Mbips，內(nèi)部擴(kuò)展有64BitFlF0結(jié)構(gòu)的接收緩沖器，工作溫度范圍為-40℃～-125 ℃，非常適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用。SJA1000有兩種工作模式：BasicCAN模式和PeLi CAN模式，其Peli CAN工作模式支持CAN2. 0B協(xié)議。CTM1050是一款帶隔離的高速CAN收發(fā)器模塊，具有CAN-bus總線過(guò)電壓保護(hù)作用，該模塊內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件，模塊的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，并且具有DC 2500V的隔離功能。采用CTM1050模塊可以大大減少CAN-Bus硬件線路的難度，SJA1000的TXO與RXO直接與CTM1050的TXD、RXD相連。