CAN總線與以太網(wǎng)系統(tǒng)互連中網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

科技和社會(huì)的發(fā)展，使20世紀(jì)末的全球化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)空前激烈。競(jìng)爭(zhēng)中的企業(yè)逐漸開始實(shí)施計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，采用系統(tǒng)集成、信息集成的觀點(diǎn)來組織工業(yè)生產(chǎn)。在這個(gè)系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信，計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)緊密地結(jié)合在一起，產(chǎn)生了能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境運(yùn)行、性能可靠、造價(jià)低廉的現(xiàn)場(chǎng)總線(FieldBus)技術(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)總線是用于生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)的最底層通信網(wǎng)絡(luò)，它實(shí)現(xiàn)了微機(jī)化的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制儀器或設(shè)備之間的雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的關(guān)鍵是使自動(dòng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具備通信能力，將它們連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它具有開放統(tǒng)一的通信協(xié)議。

CAN總線就是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中形成的一個(gè)成熟技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它的協(xié)議建立在ISO/OSI模型基礎(chǔ)之上，但只采用了該模型底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層。在大型企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，上層企業(yè)管理層和生產(chǎn)監(jiān)控層一般采用的都是以太網(wǎng)和PC機(jī)，而在下層車間現(xiàn)場(chǎng)都是采用現(xiàn)場(chǎng)總線和單片機(jī)測(cè)控設(shè)備。上下兩層的溝通，通常采用工業(yè)控制機(jī)加以太網(wǎng)卡，再加上PC機(jī)插槽上的接口卡或并行打印口的EPP接口卡來實(shí)現(xiàn)。這種連接方式成本高，開發(fā)周期長(zhǎng)。針對(duì)這種情況，我們?cè)O(shè)計(jì)一種單獨(dú)的CAN以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互連系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和現(xiàn)有CAN總線網(wǎng)的直接數(shù)據(jù)互聯(lián)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

CAN總線是一個(gè)設(shè)備互連總線型控制網(wǎng)絡(luò)。在CAN總線上可以掛接多達(dá)110個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，各設(shè)備間可以自主相互通信，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。但設(shè)備信息層無法直接到達(dá)信息管理層，要想設(shè)備信息進(jìn)入信息管理層就要通過一種數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。

這里我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)SX52網(wǎng)關(guān)用于CAN總線與以太網(wǎng)的互連。系統(tǒng)總體分為三部分：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)（CAN網(wǎng)絡(luò)）、嵌入式透明SX52網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)信息管理終端（如監(jiān)控平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)等）。以太網(wǎng)信息管理終端與CAN總線上的CAN節(jié)點(diǎn)通過ETHERNET，SX52網(wǎng)關(guān)，CANBUS相互通信，其中SX52網(wǎng)關(guān)起到核心的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連作用。

協(xié)議轉(zhuǎn)換是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連的技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn)，協(xié)議轉(zhuǎn)換一般可采用分層轉(zhuǎn)換的方法，自低向上逐層進(jìn)行。目前互連大都是在網(wǎng)際層或網(wǎng)絡(luò)層展開的，因而必須對(duì)互連層以下各層協(xié)議逐層向上轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換方法的依據(jù)是協(xié)議分層的基本原理：即低層支持高層，高層調(diào)用低層，低層斷開連接后，高層連接也隨之?dāng)嚅_，但高層斷開連接卻不會(huì)影響低層。從網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)上來看，我們?cè)O(shè)計(jì)的互連系統(tǒng)具有如圖一所示的分層結(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)上運(yùn)行TCP/IP協(xié)議，它具有應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層；CAN總線具有應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其中應(yīng)用層由用戶自己定義，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層由CAN協(xié)議所定義；SX52數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)具有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，其應(yīng)用層也就是ETHERNET與CAN的信息數(shù)據(jù)交換層，SX52微控制器在此層相互解釋并轉(zhuǎn)發(fā)這兩種不同協(xié)議的數(shù)據(jù)。

在本設(shè)計(jì)中，SX52網(wǎng)關(guān)被設(shè)計(jì)成了一個(gè)透明數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，也就是在以太網(wǎng)應(yīng)用層構(gòu)建和解析完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包，CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包作為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，它對(duì)通信數(shù)據(jù)的具體實(shí)際意義不做任何解釋。之所以把數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)成透明式，是基于以下三個(gè)方面的考慮：1）透明式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)相對(duì)不透明網(wǎng)關(guān)來說較簡(jiǎn)單，在硬件上無須擴(kuò)展大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于緩存通信數(shù)據(jù)；軟件上也不用考慮數(shù)據(jù)的聚集和分發(fā)處理，降低了程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、提高了通信的速度和實(shí)時(shí)性。2）透明式網(wǎng)關(guān)的適應(yīng)性強(qiáng)，它可以應(yīng)用于不同的項(xiàng)目要求，而不透明網(wǎng)關(guān)則要根據(jù)不同要求對(duì)網(wǎng)關(guān)程序作出不同的修改。3）因?yàn)閰f(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，沒有較多復(fù)雜處理，從而提高了通信的可靠性。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)的最大通信速率為1Mpbs，而以太網(wǎng)現(xiàn)在一般為10Mbps。這里就需考慮兩者之間的速度匹配問題，這里可以從兩個(gè)方面解決這個(gè)問題：一是在網(wǎng)關(guān)上使用較大的RAM，用來作為通信數(shù)據(jù)緩沖器，提高網(wǎng)路傳輸?shù)男?。二是限制以太網(wǎng)向CAN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，使它小于CAN總線的通信速率。