can总线和以太网互连系统设计.doc

CAN总线和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SX52的CAN与以太网互连方案,阐述了以太网和CAN总线网络协议转换的软硬件设计,实现了以太网与现有CAN总线网的直接连接。保证管理监控层(以太网)与生产测控层(CAN总线网)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PC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PC机插槽上的接口卡或并行打印口的EPP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CAN以太网网关互连系统,成功地实现以太网与现有CAN总线网的直接数据互联。; 1 系统结构; 系统总体结构分为三部分:现场测控网络(CAN网络)、嵌入式透明SX52网关、以太网信息管理终端(如监控平台和网络数据库等),如图1所示。; CAN总线是一个设备互连总线型控制网络。在CAN总线上可以挂接多达110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SX52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CAN协议数据包。CAN协议数据包作为TCP/IP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、CAN总线控制器和以太网控制器三部分组成。其中SX52单片机为核心处理器,它实现了CAN控制网络与以太网之间的协议转换。以太网信息管理层的控制指令发送到嵌入式透明SX52网关,将TCP/IP协议包数据转换为CAN协议形式发送至CAN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CAN网络上的设备数据(如定时采样数据或报警信息)要传输到信息管理层时,可将数据发送到嵌入式透明SX52网关,再通过网关协议转换程序将CAN协议数据封装成TCP/IP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WIN32监控程序或网络数据库(记录CAN节点设备数据)软件等;甚至可能是CAN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。; 2 硬件设计; 系统硬件分为两大部分:CAN总线网络设备接口设计和嵌入式透明SX52网关设计。; 2.1 CAN总线网络设备接口设计; CAN总线网络设备接口设计较网关设计简单。它是在完成设备功能的基础上加入一个CAN通信控制器接口芯片,实现与CAN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PHILIPHS公司的独立CAN通信控制器SJA1000芯片和CAN总线收发器82C250芯片。其结构如图2所示。; 2.2 嵌入式透明SX52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3所示。它由CAN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SX52微处理器起核心作用。它是由美国Ubicom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100MHz时钟时,指令执行速度可达100 MIPS。它可实现TCP/IP协议栈中的ARP、IP、UDP、TCP、HTTP、SMTP、ICMP等网络协议。; CAN控制器协议转换模块硬件电路原理如图3左框图。它由三部分组成:微控制器SX52、独立CAN通信控制器SJA1000、CAN总线收发器82C250。其中SX52为唯一的CPU核心,负责SJA1000的初始化,通过读写SJA1000内部寄存器实现数据的接收、发送和错误处理等。PCA82C250则提供对总线的差动发送能力和对CAN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SX52、以太网通信控制器RTL8019AS和隔离滤波器FB2002组成。RTL8019AS是台湾Realtek公司制造的一种高集成度的全双工10Mbps以太网控制芯片,实现了基于Ethernet协议的MAC层的全部功能,内置16KB的SRAM、双DMA通道和FIFO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(JP置为高)硬配置RTL8019AS为8位模式。使用RTL8019的低5位地址线A0~A4以及低8位数据线D0~D7。SX52的B口的B0~B4脚作为地址线连接RTL8019AS的低5位地址线,B5~B7作为控制线分别连接读写时序控制脚IORB、IOWB、IOCHRDY;C口作为数据线连接RTL8019AS的低8位数据线;A口保留,用作日后扩展。图3中AT24