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CAN与以太网数据交换的研究和分析 1 技术背景 CAN(Controller Area Network——控制器局域网)是一种由带CAN控制器组成高性能串行数据局域通信网络,是国际上应用最广泛的现场总线之一。它最早由德国Bosch公司推出,用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范已被ISO估计标准组织制定为国际标准。由于其具有多主机、传输距离远(最远为10km)、传输速度快(最快为1Mbps)、抗干扰能力强等诸多优点,所以被认为是最有发展前途的现场总线之一。 CAN协议是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的。1991年9月,Philips Semiconductors制定并发布的CAN技术规范Version2.0为现行最高版本。其中规定了两种模式:标准模式和扩展模式。本文主要对标准模式进行介绍。 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol——传输控制协议/网络协议)是一个工业标准的协议集,包括IP、TCP、UDP等子协议,保证数据在网络上的正确传输。TCP/IP协议是现代因特网的基础。 TCP/IP协议为四层模型:应用层、传输层、网络层和数据链路层。每层都有不同的功能,而且层和层之间在逻辑上是相互独立的。每层都对应一些子协议,如图1所示。本文用到的协议包括ARP、IP和TCP等。 2 应用背景 CAN总线在很多行业被广泛应用。由其组成的局域网可以将很多底层测控设备连接起来,最远距离可达10km(在不接中继器的条件下)。相对其它现场总线,该距离已经是很远了。但随着以太网的发展,人们希望对底层设备也能进行真正意义上的远程控制。工控机加接口卡已经被用来实现这一目的,但价格和接口卡带来的瓶颈等问题也随之暴露出来。本文是以单片机、CAN器件和网络芯片为核心的模块来完成该功能进行叙述的。这种方案降低了成本,避免了瓶颈。 3 硬件部分 硬件的实现方案有多种,可以采用集成TCP/IP协议的单片机外加CAN收发器和控制器;也可采用集成CAN控制器的单片机外加CAN收发器和网络芯片。本文的实例采用不带任何集成的单片机Philips P89C668,外加CAN控制器SJA1000、CAN收发器TJA1050以及网络芯片RTL8019AS,组成一个转换模块,功能模块如图2所示。 P89C668:微控制器,主要的控制部分,实现对网络芯片以及CAN器件的控制,并进行两者之间的协议转换。 SJA1000:CAN控制器,两种工作模式(BasicCAN和PeliCAN)。BasicCAN仅支持标准模式,PeliCAN支持CAN2.0B的标准模式和扩展模式(本文仅介绍BasicCAN模式)。支持错误分析功能,对CAN收发器进行控制,为微控制器提供了控制CAN总线的简单接口。 TJA1050:CAN收发器,微控制器对CAN控制器进行相应配置后,收发器自动过完成相应的CAN总线动作。 RTL8019:网络芯片,提供给微控制器控制以太网的简单接口,使微控制器只需要对其进行相应读写即可完成对以太网的操作。 实验中另外用到一个CAN模块作为一个CAN节点,和转换模块一起组成一个简单的CAN网。 4 软件部分 4.1 CAN编程 BasicCAN模式中的CAN编程相对简单,只需要对SJA1000相应的寄存器进行读写操作即可。在该模式下,报文识别码为11位,在经过验收滤波器的筛选后,符合条件的报文才能被接收,并存入SJA1000接收缓冲区。识别码值越小,优先级越高。如果总线上出现报文冲突,优先级高的报文选占据总线。CAN节点间每次最多传送的数据为10个字节。发送缓冲区寄存器的描述如表1所列,它与接收缓冲区寄存器结构大体相同,只是地址不同。 表1 发送缓冲区寄存器 名nbsp; 称位7位6位5位4位3位2位1位0识别码字节1ID.10ID.9ID.8ID.7ID.6ID.5ID.4ID.3识别码字节2ID.2ID.1ID.0RTRDLC.3DLC.2DLC.1DLC.0TX数据1~8发送数据字节1~8 本实验中用到P89C668的外部中断1。该中断由SJA1000引发,设置为当SJA1000收到来自另一节点的数据时,向P89C668发出中断信号。在中断处理程序中,P89C668读取并保存SJA1000中断寄存器的值,作为在相应程序中进行处理的依据。 4.2 TCP/IP协议 由于TCP/IP协议很复杂,涉及的内容很多。下面仅就几点作简要介绍。 (1)封装和分层的概念 发送数据时要对数据进行逐层封装,既加上相应的首部,作为所经过每层的标识。具体原理如图3所示。接收到的数据是按一定结构封装好的,我们要根据前面的首部信息,判断数据应交付给下面哪一层,并将相应首部信息去除,这样依次向下传,到最