基于“網(wǎng)絡(luò)通”的單片機(jī)以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用

1  概述

　　在工廠、變電站、智能大廈等大型企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中,如 圖1(a) 所示,在上層企業(yè)管理層和生產(chǎn) 監(jiān)控層采用的都是以太網(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（如RS-485、CAN、 lonWorks、基金會(huì)等）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(lái)實(shí)現(xiàn)。這種連接方式成本高,開發(fā)周期長(zhǎng),接 口卡成為系統(tǒng)上下兩層的通信瓶頸,一旦出現(xiàn)故障,上下兩層的聯(lián)系就告中斷。為此,如 圖1(b) 所 示,我們利用廉價(jià)的“網(wǎng)絡(luò)通”組成基于單片機(jī)的以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān)取代昂貴的工控機(jī)加接口卡,成 功地實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)和現(xiàn)有CAN總線網(wǎng)的直接連接,實(shí)現(xiàn)管理監(jiān)控層（以太網(wǎng)）和生產(chǎn)測(cè)控層（CAN總 線網(wǎng)）之間的連接。上下層數(shù)據(jù)能方便地進(jìn)行交流。

圖1  兩種分布式自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較

　　更重要的一點(diǎn)在于,現(xiàn)在成熟、穩(wěn)定、廉價(jià)的以太網(wǎng)已經(jīng)普及深入到了工廠、車間、大樓等基層。在大型企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中,沒(méi)有必要再采用現(xiàn)場(chǎng)總線和兩級(jí)結(jié)構(gòu),可直接利用廉價(jià)的以太網(wǎng)接口模塊“網(wǎng)絡(luò)通”,將各種測(cè)控設(shè)備直接接入以太網(wǎng),形成現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

2 以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān)的組成原理

　　在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中,我們利用“網(wǎng)絡(luò)通”組成基于單片機(jī)的以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān),結(jié)構(gòu)組成如 圖 2 所 示。“網(wǎng)絡(luò)通”由以太網(wǎng)接口A和微處理器組成。在此基礎(chǔ)上增加CAN接口B就組成了以太網(wǎng)-CAN 網(wǎng)關(guān)。

圖2  基于“網(wǎng)絡(luò)通”的以太-CAN 網(wǎng)關(guān)

（1）  以太網(wǎng)接口A

　　以太網(wǎng)接口A可選用符合IEEE802.3協(xié)議的10Base-T通用接口芯片,如 UM9003、RTL8019等,完成與以太網(wǎng)在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的連接。使用 RJ-45插口,可以直接掛接到以太網(wǎng)上。

（2）  微處理器

　　微處理器負(fù)責(zé)對(duì)以太網(wǎng)接口A芯片和CAN接口B芯片進(jìn)行控制。微處理器內(nèi)駐有 TCP/IP通信協(xié)議和CAN協(xié)議,完成以太網(wǎng)協(xié)議和CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)接口 A和接口B通信數(shù)據(jù)的透明傳輸。

　　由于CAN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大,數(shù)據(jù)傳輸速率不高,遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率,所以在以太網(wǎng) -CAN接口模塊中,數(shù)據(jù)的傳送瓶頸在CAN接口B。在測(cè)控領(lǐng)域,通常傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大,對(duì)數(shù)據(jù)傳輸 速率要求也不高,于是,在此模塊中微處理器可選用通常的單片機(jī)如 8031等。

（3）  CAN接口B

　　CAN接口B采用了飛利浦的CAN物理層和鏈路層接口芯片SJA1000和 PCA82C250。微處理器直接控制SJA1000的AD0～AD7、、、ALE、RST 和腳。SJA1000的MODEL腳接高電平,工作在Intel模式下;片選腳接地,始終處于選通狀態(tài),如 圖 3 所示。微處理器對(duì) SJA1000的操作主要是對(duì)寄存器的操作：一方面對(duì)SJA1000的模式寄存器 （MOD）、命令寄存器（CMR）、狀態(tài)寄存器（SR）、中斷寄存器（ IR）、中斷允許寄存器（IEP）、總線定時(shí)寄存器（BTR0、 BTR1）、輸出控制寄存器（OCR）、時(shí)鐘分頻計(jì)數(shù)器（CDR）進(jìn)行設(shè)置和檢測(cè); 另一方面對(duì)收發(fā)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫,從而和CAN設(shè)備交換數(shù)據(jù)。

圖3  以太網(wǎng)-CAN 接口原理圖

　　圖 4 是微處理器對(duì)SJA1000進(jìn)行初始化、讀、寫的流程圖。微處理器將 以太網(wǎng)送來(lái)的命令通過(guò)向SJA1000寫,來(lái)傳送給CAN測(cè)控設(shè)備;反過(guò)來(lái),又將向SJA1000讀取CAN 測(cè)控設(shè)備的測(cè)量值或狀態(tài),通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送出去。

圖4  微處理器CAN接口原理圖

3  以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān)的主要特性

　　網(wǎng)絡(luò)分布式控制需要有開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的控制網(wǎng)絡(luò),基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)分布式控制 系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用自動(dòng)化系統(tǒng)說(shuō)明了這點(diǎn)。使用以太網(wǎng)取代現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)不僅滿足這些需求,而且還有許多優(yōu)點(diǎn)。

　?、?nbsp; 不需要專門鋪設(shè)CAN通信網(wǎng)來(lái)進(jìn)行設(shè)備之間的信息傳送,而是利用廣為存在的、廉價(jià)的、標(biāo) 準(zhǔn)的以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行信息的傳送。組建這樣的測(cè)控網(wǎng)速度很快,理論上節(jié)點(diǎn)數(shù)沒(méi)有限,組網(wǎng)成本低, 維護(hù)也容易。

　?、?nbsp; 在數(shù)據(jù)傳送中,每臺(tái)測(cè)控設(shè)備的地址實(shí)際有“網(wǎng)絡(luò)通”的IP地址和CAN接口地址 兩部分組成。在以太網(wǎng)中,CAN接口測(cè)控設(shè)備的CAN地址和數(shù)據(jù)一起作為“網(wǎng)絡(luò)通”通信中IP包的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。

　?、?nbsp; 具有多主多從的高通信容量的特點(diǎn);每幀有硬件CRC校驗(yàn),可靠性高;通信報(bào)文 可大可小,效率很高;通信協(xié)議TCP/IP是全球統(tǒng)一的規(guī)范,容易連成不受地域限制的大控制網(wǎng)。

　?、?nbsp; WWW（Word Wide Web）瀏覽器的人機(jī)界面友好易用,設(shè)備管理服務(wù)器一方面用瀏覽 器檢測(cè)和控制以太網(wǎng)上不同設(shè)備,另一方面使用WWW發(fā)布方式向網(wǎng)絡(luò)客戶提供動(dòng)態(tài)交互式瀏覽網(wǎng)頁(yè)。很容易實(shí)現(xiàn)調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)或辦公自動(dòng)化信息系統(tǒng)。

　?、?nbsp; 由于通信數(shù)據(jù)包符合TCP/IP標(biāo)準(zhǔn),可以在Internet網(wǎng)上穿越交換機(jī)或路由器,遠(yuǎn)程上網(wǎng)客戶只要用WWW瀏覽器就可方便地查詢各個(gè)智能設(shè)備狀態(tài)和實(shí)時(shí)遙控各個(gè)智能設(shè)備。

4  以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān)接口模塊在自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用

　　在我們?cè)O(shè)計(jì)改造的一個(gè)企業(yè)自控系統(tǒng)中,采用了圖 5 的方式。所有原有的CAN測(cè)控設(shè)備,有的是 通過(guò)以太-CAN接口模塊直接接到企業(yè)以太網(wǎng)上,有的是仍通過(guò)CAN總線網(wǎng)連接到以太網(wǎng)上;而新增加的設(shè)備則直接利用以太網(wǎng)接口模塊接到以太網(wǎng)上,不再需要專門鋪設(shè)CAN通信網(wǎng)來(lái)進(jìn)行設(shè)備之間的信息傳送。

圖5  基于以太網(wǎng)的分布式控制應(yīng)用系統(tǒng)框圖

　　在以太網(wǎng)上,所有的CAN測(cè)控節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)虛擬網(wǎng)段。CAN設(shè)備管理服務(wù)器是企業(yè)以太網(wǎng)中的任一控制節(jié)點(diǎn),連在以太網(wǎng)上的WIN NT服務(wù)器安裝專用網(wǎng)絡(luò)管理軟件就可讓合法的工程技術(shù)人員遠(yuǎn)程管理CAN設(shè)備,通過(guò)以太網(wǎng)可同CAN設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這樣以太網(wǎng)就可完全替代原來(lái)的CAN總線網(wǎng),同時(shí),服務(wù)器使用WEB發(fā)布方式向網(wǎng)絡(luò)客戶提供動(dòng)態(tài)交互式瀏覽網(wǎng)頁(yè)。

結(jié)束語(yǔ)

　　隨著工業(yè)自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化的發(fā)展,在一些場(chǎng)合,分布式控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越龐大,現(xiàn)場(chǎng)總 線越來(lái)越受地域、鋪設(shè)成本、負(fù)載容量的限制。另一方面,靈活、方便,安全性、可靠性高的以太網(wǎng) 飛速發(fā)展和因特網(wǎng)的普及,寬帶網(wǎng)已深入家庭、辦公室、旅店、工廠與車間,使人們?cè)谏钆c工作的 各個(gè)地點(diǎn),都可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)交換信息。在這種情況下,利用廉價(jià)的“網(wǎng)絡(luò)通”,利用互聯(lián)網(wǎng)取代現(xiàn)場(chǎng)總線,使原現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制系統(tǒng)方便地轉(zhuǎn)換成為基于以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng),將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。