基于CAN总线与以太网的嵌入式网关设计.doc

基于CAN总线与以太网的嵌入式网关设计 随着以太网技术等的进一步发展和完善，特别是通信速率的提高和交互技术的应用，使得以太网技术应用于现场控制领域成为可能，这对工业控制网络产生了新的影响。但已有的现场总线不可能完全被工业以太网替代，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，已经已经成为一种趋势。CAN作为国际上应用最广泛的现场总线之一，在我国也得到了广泛的应用，所以本设计以CAN总线作为工业现场总线，实现其与以太网的互联。 1.系统总体概述 1.1以太网 以太网采用带冲突检测的载波监听多路访问协议（CSMA/CD），传输介质为同轴电缆。如今，以太网已经成为局域网中的主导网络技术，而且随着吉比特以太网的出现，以太网正在向城域网大步迈进。 CSMA/CD载波帧听多路访问/冲突检测，是IEEE802.3解决信道竞争的方法。一站点要传送数据时，它首先监听信道，如果信道忙，则等待直至信道空闲再发数据。由于同时可能有多个站点帧听到信道空闲发出数据，可能发生冲突，CSMA/CD在发送数据的同时，进行冲突检测，一旦发现冲突，立刻停止发送，并等待冲突平息，再进行CSMA/CD，直到将数据成功地发送完毕。 以太网帧是变长的，其长度从64字节到1518个字节不等,具体的帧结构如下图1.1所示： 以太网作为当今应用最广的局域网技术，具有性价比高、灵活性和互操作性强等特点。目前，以太网也已经广泛的应用到了工业控制当中，其优点在于：? 1.传输速率较高，工作可靠，便于维护和故障恢复，为高速信息传输提供了物理基础；? 2.结构简单、灵活、便于扩充，易于实现，成本低。? 3.基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式网络，不同厂商的设备很容易互联。 4.以太网能便捷地访问远程系统，共享/访问多数据库。? 5.易于与Internet连接，能够在任何城市、地方利用电话线通过Internet对企业进行监控。? 6.以太网能实现办公自动化网络与工业控制网络的有机结合。 1.2?CAN总线 CAN总线（Controller?Area?Network）即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。因此在汽车、制造业以及航空工业中受到了广泛应用。 CAN2.0协议的分层模型如右图1.2.1所示：分别对应于OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层。 CAN标准帧信息为11个字节，包括两部分：信息和数据部分。前3个字节为信息部分。CAN标准帧格式如图1.2.2所示。 CAN总线与其他总线相比有如下特点：? 它是一种多主总线，每个节点机均可成为主机，节点机之间也可进行通信；? 2.通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps；? 3.CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理； 4.CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码；? 5.数据段长度最多为8个字节,可满足通常工业领域中控制命令，工作状态及测试数据的一般要求。同时不会占用总线时间过长,从而保证了通信的实时性；? 6.CAN协议采用CRC检验并提供相应的错误处理功能，保证了通信的可靠性。 1.3 CAN总线与以太网连接 以太网上运行TCP/IP协议,它具有应用层、传输层、网络层、以太网数据链路层和物理层；CAN总线具有应用层、数据链路层和物理层，其中应用层由用户自己定义，数据链路层和物理层由CAN协议所定义。 CAN总线与以太网的不同，从数据流来看则表现在数据帧的结构不同。因此，协议转换的主要内容就是对数据帧结构进行转换。因此需要中间网关对一方发送的数据帧进行接收、处理和再封装然后发送到另一方，即封装--拆封--再封装这个过程。 CAN总线与以太网网络互连模型如图1.3.1。网关CAN控制模块的数据链路层协议可以从CAN总线发送来的数据帧中解析出CAN总线应用报文，然后发送到以太网控制模块，由以太网传输层和网络层协议对CAN总线应用报文进行TCP/IP封装，最后通过以太网数据链路层协议将数据打包成帧并发送到以太网上。 协议转换模型如图1.3.2所示。当以太网数据发送至网关，网关与以太网对应的数据链路层首先取出IP分组部分，然后将IP分组转入其上一层网络层中，网络层再将IP分组中取出TCP报文段或UDP数据报将其转入运输层，运输层取出应用报文，并将所剩应用报文转发给与CAN总线对应的网关中的数据链路层，之后经数据链路层对应用报文进行封装成CAN帧，最后发送到CAN总线上，反过来CAN总线向以太网发送数据也是同样的原理。