CAN总线与以太网互连系统设计.docx

1、CAN总线与以太网互连系统设计CAN总线与以太网互连系统设计 摘要：介绍了一种基于单片机的与以太网互连方案，阐述了以太网和总线网络协议转换的软硬件设计，实现了以太网与现有总线网的直接连接。保证管理监控层与生产测控层之间的连接，使得上下层数据能方便地通信。关键词：现场总线 CAN总线 以太网在大型企业自动化系统中，上层企业管理层和生产监控层一般都采用以太网和机，而下层车间现场则采用现场总线和单片机测控设备。上下两层的沟通，通常采用工业控制机加以太网卡，再加上机插槽上的接口卡或并行打印口的接口卡实现。这种连接方式成本高，开发周期长。针对这种情况，笔者设计一种单独的以太网网关互连系统，成功地实现以太

2、网与现有总线网的直接数据互联。 系统结构系统总体结构分为三部分：现场测控网络、嵌入式透明网关、以太网信息管理终端，如图所示。 总线是一个设备互连总线型控制网络。在总线上可以挂接多达个设备节点，各设备间可以自主相互通信，实现复杂网络控制系统。但设备信息层无法直接到达信息管理层，要想设备信息进入信息管理层需通过数据网关。嵌入式透明网关就是为此而设计的。 透明式网关在以太网应用层构建和解析完整的协议数据包。协议数据包作为网络应用层的数据进行传输，它对通信数据的具体实际意义不做任何解释。透明式网关由通信处理器、总线控制器和以太网控制器三部分组成。其中单片机为核心处理器，它实现了控制网络与以太网之间的协

3、议转换。以太网信息管理层的控制指令发送到嵌入式透明网关，将协议包数据转换为协议形式发送至控制网络中的指定设备节点，完成信息管理层对现场设备层的控制。同样地，当网络上的设备数据要传输到信息管理层时，可将数据发送到嵌入式透明网关，再通过网关协议转换程序将协议数据封装成协议的以太网数据帧发送至以太网上的监控计算机。以太网信息管理终端是一个根据用户的具体要求而设计的用户层应用软件。它可以是一个监控程序或网络数据库软件等；甚至可能是节点设备的服务器软件，为设备提供较复杂的数据处理工作。 硬件设计系统硬件分为两大部分：总线网络设备接口设计和嵌入式透明网关设计。 总线网络设备接口设计总线网络设备接口设计较网

4、关设计简单。它是在完成设备功能的基础上加入一个通信控制器接口芯片，实现与总线网络的连接。考虑到开发成本和灵活性，笔者在设计中选用公司的独立通信控制器芯片和总线收发器芯片。其结构如图所示。 嵌入式透明网关设计嵌入式透明网关设计是整个系统设计的核心。其结构如图所示。它由控制器协议转换模块和以太网控制器协议转换模块两部分组成。网关硬件中微处理器起核心作用。它是由美国公司研制的高速可配置通信控制器，其处理速度相当高。在外接时钟时，指令执行速度可达 。它可实现协议栈中的、等网络协议。控制器协议转换模块硬件电路原理如图左框图。它由三部分组成：微控制器、独立通信控制器、总线收发器。其中为唯一的核心，负责的初

5、始化，通过读写内部寄存器实现数据的接收、发送和错误处理等。则提供对总线的差动发送能力和对控制器的差动接收能力。 以太网控制器协议转换模块主要由微控制器、以太网通信控制器和隔离滤波器组成。是台湾公司制造的一种高集成度的全双工以太网控制芯片，实现了基于协议的层的全部功能，内置的、双通道和完成数据包的接收和发送功能。在网关设计中，使用跳线模式硬配置为位模式。使用的低位地址线以及低位数据线。的口的脚作为地址线连接的低位地址线，作为控制线分别连接读写时序控制脚、；口作为数据线连接的低位数据线；口保留，用作日后扩展。图中为 ，主要用来保存嵌入式透明网关的配置信息，如网关地址、地址和的网络标示符、网络掩码和

6、总线定时等。这样，可以灵活方便地修改网关参数，适应不同环境，同时也考虑到以后的扩展。 除与连接外，还将其网络收发器的根引脚、通过外接的隔离滤波器与以太网相连。采用隔离滤波器是为了提高网络通信的抗干扰能力。 软件设计整个互联系统的软件设计可以分为三部分：总线设备接口通信程序、透明网关协议转换程序和以太网层应用程序设计。其中，总线设备接口通信程序和透明网关协议转换程序的控制器协议模块在结构上有较大的相似性，但有可能因采用微控制器不同而导致实现的程序语言相异。因而，在此不作论述，而主要讨论后两个方面的程序设计。 透明网关协议转换程序透明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节

7、点时，首先，数据发送到透明网关由以太网控制器协议转换模块从传输层数据报文中解析出完整的协议数据包，存放在数据缓冲区 再通知总调度模块，由它调用控制器协议模块将协议数据包发送到总线上。反过来，当设备有数据要发送到用户层时，首先，数据发送到透明网关由控制器协议模块将完整的协议数据包存放在数据缓冲区 再通知总调度模块，由它调用以太网控制器协议转换模块将完整的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。其程序结构如图所示。 控制器协议模块控制器协议转换模块程序主要由的寄存器读程序、写程序、初始化程序、发送程序、接收程序程序组成。之所以要编写单独的的寄存器读、写子程序，这是由芯片只有端口决

8、定的。选用协议构建总线控制网络，对的初始化主要完成控制寄存器、验收代码寄存器、验收屏蔽寄存器、总线定时寄存器，和输出控制寄存器的设置。初始化完成后，由总调度模块监控控制器。当总线上有数据到达时，它调用接收子程序，把这一帧数据包存入数据缓冲区中，然后释放接收缓冲器。同样，当有按协议格式组合成的一帧数据报文在数据缓冲区中要发送到总线上去时，总调度模块将调发送子程序发送。 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数据包中解析出完整协议报文，存入数据缓冲区。同时，可能将数据缓冲区中的完整协议报文封装成数据报，然后将其发送到以太网上。 在通信传输层采用协议是考虑到协议数据报为短帧形式。

9、如果采用传输协议，要传输字节协议数据，要先通过次握手建立连接，再传输数据，之后还要通过握手释放连接。这样传输效率对有限的网络资源来说无疑是一种浪费。而是无连接的传输，可以提高网络传输效率，同时，也减轻网关的处理任务。当然，传输协议是不可靠的，对于控制网络来说，是不允许的。为了提高通信的可靠性，采用了回传校验机制。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以太网卡驱动、协议的若干个函数组成，如、和等。所使用的变量有：:、:、,、, 等。系统首次执行或复位时，以太网控制器协议转换模块将首先调用()和()等进行、和应用程序的初始化。初始化完成后，即进入主循环。在主循环中，

10、将反复检测是否接收以太网帧。当有数据被接收时，调用()和()读入以太网帧首部 再调用()判断接收帧是否为数据。若是，则转入()和()子程序进行处理并发送响应数据报；若不是，则判断是否为数据报。若非数据报则清除该以太网帧；当所接收帧包含数据报时，则需进一步判断是数据报还是数据报文。若是数据报则执行()子程序处理数据报并重发数据报；若数据为数据报文，则调用()子程序。该程序将读入数据报文首部的数据并进行相应处理，还原出完整的协议数据报文存入数据缓冲区中，再通知总调度程序，由总调度程序调用总线控制子程序将协议数据报文发往总线。反过来，当总调度程序通知以太网控制器协议转换模块将数据缓冲区中准备好的协议

11、数据发送到以太网上时，它将调用()、()、()、()、()、()等子函数进行发送处理，从而实现总线到以太网的数据传输。 以太网层应用程序设计以太网上的通信协议一般采用协议。本文采用流行的套接字编程，传输层协议选择，通过 编写用户层程序。提供了对的支持，通过协议可以向指定地址的透明网关发送协议数据，同时也可以通过它接收协议数据。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 发送数据， 接收数据。利用协议可以使管理主机和网关实现双向的数据通信。同时，这种传输方式也易于使数据网关透明化。本文介绍了一种低成本、高可靠性、快捷的总线与以太网互连方案。该互连方案保证管理监控层与生产测控层之间的连接，方便了上下层信息交流，满足工厂、变电站等工业场合的应用要求。