CAN與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的研究與分析

  摘要：主要介紹將CAN現(xiàn)場總線以協(xié)議中的標(biāo)準(zhǔn)模式接入以太網(wǎng)的方法，實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單交換；給出相應(yīng)的硬件和軟件原理以及重點難點說明。

    關(guān)鍵詞：CAN總線 以太網(wǎng) 數(shù)據(jù)交換 TCP/IP協(xié)議 BasicCAN模式

1 技術(shù)背景

CAN（Controller Area Network——控制器局域網(wǎng)）是一種由帶CAN控制器組成高性能串行數(shù)據(jù)局域通信網(wǎng)絡(luò)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。它最早由德國Bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范已被ISO估計標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)。由于其具有多主機(jī)、傳輸距離遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)為10km）、傳輸速度快（最快為1Mbps）、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點，所以被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一。

CAN協(xié)議是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的。1991年9月，Philips Semiconductors制定并發(fā)布的CAN技術(shù)規(guī)范Version2.0為現(xiàn)行最高版本。其中規(guī)定了兩種模式：標(biāo)準(zhǔn)模式和擴(kuò)展模式。本文主要對標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行介紹。

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol——傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議集，包括IP、TCP、UDP等子協(xié)議，保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的正確傳輸。TCP/IP協(xié)議是現(xiàn)代因特網(wǎng)的基礎(chǔ)。

TCP/IP協(xié)議為四層模型：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層。每層都有不同的功能，而且層和層之間在邏輯上是相互獨立的。每層都對應(yīng)一些子協(xié)議，如圖1所示。本文用到的協(xié)議包括ARP、IP和TCP等。

2 應(yīng)用背景

CAN總線在很多行業(yè)被廣泛應(yīng)用。由其組成的局域網(wǎng)可以將很多底層測控設(shè)備連接起來，最遠(yuǎn)距離可達(dá)10km(在不接中繼器的條件下)。相對其它現(xiàn)場總線，該距離已經(jīng)是很遠(yuǎn)了。但隨著以太網(wǎng)的發(fā)展，人們希望對底層設(shè)備也能進(jìn)行真正意義上的遠(yuǎn)程控制。工控機(jī)加接口卡已經(jīng)被用來實現(xiàn)這一目的，但價格和接口卡帶來的瓶頸等問題也隨之暴露出來。本文是以單片機(jī)、CAN器件和網(wǎng)絡(luò)芯片為核心的模塊來完成該功能進(jìn)行敘述的。這種方案降低了成本，避免了瓶頸。

3 硬件部分

硬件的實現(xiàn)方案有多種，可以采用集成TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)外加CAN收發(fā)器和控制器；也可采用集成CAN控制器的單片機(jī)外加CAN收發(fā)器和網(wǎng)絡(luò)芯片。本文的實例采用不帶任何集成的單片機(jī)Philips P89C668，外加CAN控制器SJA1000、CAN收發(fā)器TJA1050以及網(wǎng)絡(luò)芯片RTL8019AS，組成一個轉(zhuǎn)換模塊，功能模塊如圖2所示。

    P89C668：微控制器，主要的控制部分，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)芯片以及CAN器件的控制，并進(jìn)行兩者之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

SJA1000：CAN控制器，兩種工作模式（BasicCAN和PeliCAN）。BasicCAN僅支持標(biāo)準(zhǔn)模式，PeliCAN支持CAN2.0B的標(biāo)準(zhǔn)模式和擴(kuò)展模式（本文僅介紹BasicCAN模式）。支持錯誤分析功能，對CAN收發(fā)器進(jìn)行控制，為微控制器提供了控制CAN總線的簡單接口。

TJA1050：CAN收發(fā)器，微控制器對CAN控制器進(jìn)行相應(yīng)配置后，收發(fā)器自動過完成相應(yīng)的CAN總線動作。

RTL8019：網(wǎng)絡(luò)芯片，提供給微控制器控制以太網(wǎng)的簡單接口，使微控制器只需要對其進(jìn)行相應(yīng)讀寫即可完成對以太網(wǎng)的操作。

實驗中另外用到一個CAN模塊作為一個CAN節(jié)點，和轉(zhuǎn)換模塊一起組成一個簡單的CAN網(wǎng)。

4 軟件部分

4.1 CAN編程

BasicCAN模式中的CAN編程相對簡單，只需要對SJA1000相應(yīng)的寄存器進(jìn)行讀寫操作即可。在該模式下，報文識別碼為11位，在經(jīng)過驗收濾波器的篩選后，符合條件的報文才能被接收，并存入SJA1000接收緩沖區(qū)。識別碼值越小，優(yōu)先級越高。如果總線上出現(xiàn)報文沖突，優(yōu)先級高的報文選占據(jù)總線。CAN節(jié)點間每次最多傳送的數(shù)據(jù)為10個字節(jié)。發(fā)送緩沖區(qū)寄存器的描述如表1所列，它與接收緩沖區(qū)寄存器結(jié)構(gòu)大體相同，只是地址不同。

表1 發(fā)送緩沖區(qū)寄存器

本實驗中用到P89C668的外部中斷1。該中斷由SJA1000引發(fā)，設(shè)置為當(dāng)SJA1000收到來自另一節(jié)點的數(shù)據(jù)時，向P89C668發(fā)出中斷信號。在中斷處理程序中，P89C668讀取并保存SJA1000中斷寄存器的值，作為在相應(yīng)程序中進(jìn)行處理的依據(jù)。

4.2 TCP/IP協(xié)議

由于TCP/IP協(xié)議很復(fù)雜，涉及的內(nèi)容很多。下面僅就幾點作簡要介紹。

（1）封裝和分層的概念

發(fā)送數(shù)據(jù)時要對數(shù)據(jù)進(jìn)行逐層封裝，既加上相應(yīng)的首部，作為所經(jīng)過每層的標(biāo)識。具體原理如圖3所示。接收到的數(shù)據(jù)是按一定結(jié)構(gòu)封裝好的，我們要根據(jù)前面的首部信息，判斷數(shù)據(jù)應(yīng)交付給下面哪一層，并將相應(yīng)首部信息去除，這樣依次向下傳，到最后可以得到所傳送的真正數(shù)據(jù)。具體原理如圖4所示。

（2）以太網(wǎng)驅(qū)動程序

以太網(wǎng)驅(qū)動程序是提供鏈路層物理接口與網(wǎng)絡(luò)層交互的軟件接口。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)必須先交付給以太網(wǎng)驅(qū)動程序，由它將網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)打包交付給物理接口，完成數(shù)據(jù)發(fā)送。反之，以太網(wǎng)驅(qū)動程序在接收到數(shù)據(jù)時，要按照應(yīng)用層可以接收的形式進(jìn)行處理并交付給網(wǎng)絡(luò)層。

（3）ARP協(xié)議

即地址解析協(xié)議，提供邏輯地址到物理地址的動態(tài)映射。發(fā)送站必須知道接收站的物理地址才能對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，才能在以太網(wǎng)中進(jìn)行傳輸，因此只知道接收站的邏輯地址是不夠的，必須事先通過ARP協(xié)議得到接收站的物理地址。

（4）IP協(xié)議

即網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提供一種不可靠的、無連接的服務(wù)，完成的功能有將運輸層待發(fā)送數(shù)據(jù)封裝成IP數(shù)據(jù)報，調(diào)用以太網(wǎng)驅(qū)動程序發(fā)送數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)鏈路層接收數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)校驗等。

（5）TCP協(xié)議

即傳輸控制協(xié)議，是一種面向連接的、可靠的運輸協(xié)議。UDP協(xié)議實現(xiàn)相同功能，但它只把數(shù)據(jù)報分組從一臺主機(jī)發(fā)送到另一臺主機(jī)，不保證可靠性。本文主要使用TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而沒有采用UDP協(xié)議。實驗中用到P89C668的定時器0中斷，10ms中斷一次，主要為了進(jìn)行ARP老化處理，設(shè)置TCP超時標(biāo)志。

4.3 CAN與以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換

數(shù)據(jù)交換原理簡單說就是對從以太網(wǎng)中收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分層。如果是TCP數(shù)據(jù)報，取出真正的數(shù)據(jù)，并將其存入一個開辟的數(shù)據(jù)區(qū)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)分析后，按照BasicCAN模式進(jìn)行發(fā)送。反過來，將接收到的CAN數(shù)據(jù)存入另一數(shù)據(jù)區(qū)，除去地址和個數(shù)信息，將其余數(shù)據(jù)按照TCP/IP協(xié)議進(jìn)行封裝發(fā)送。具體流程圖如圖5所示。

由CAN接收引起外部中斷后，保存SJA1000中斷寄存器和狀態(tài)寄存器的值，在CAN處理子程序中根據(jù)其值進(jìn)行處理。當(dāng)上到來自另一節(jié)點的數(shù)據(jù)，則將該數(shù)據(jù)存入相應(yīng)緩沖區(qū)，并置位一標(biāo)志位，在主程序中的TCP超時處理子程序中判斷該標(biāo)志位，如果為高則將該緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到以太網(wǎng)發(fā)送緩部眍中，并將數(shù)據(jù)封裝發(fā)送。當(dāng)P89C668接收到來自以太網(wǎng)的TCP數(shù)據(jù)報，同樣將一標(biāo)志位置1，在CAN處理子程序（見圖6）中，根據(jù)該標(biāo)志位判斷是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送給另一節(jié)點。

在具體調(diào)試時，使一個CAN節(jié)點每隔一段時間向轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送一些數(shù)據(jù)。該節(jié)點接收后，通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)，上位機(jī)通過超級終端顯示接收的數(shù)據(jù)。同樣，可以通過超級終端發(fā)送一些鍵入的數(shù)據(jù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換模塊傳給另一個CAN節(jié)點，從而改變它的一些內(nèi)部數(shù)據(jù)。

5 小結(jié)

該實驗只是實現(xiàn)了以太網(wǎng)與BasicCAN模式下CAN的簡單數(shù)據(jù)交換，沒有涉及CAN的高層協(xié)議和復(fù)雜錯誤處理。不過有了該實驗的成功嘗試，使實現(xiàn)PeliCAN模式下的轉(zhuǎn)換以及加載完善的協(xié)議成為可能，可以說該實驗為CAN和以太網(wǎng)的融合打下了堅實的基礎(chǔ)。