CAN與以太網數據交換的研究與分析

摘要：主要介紹將CAN現場總線以協議中的標準模式接入以太網的方法，實現CAN網絡中的數據和以太網中的數據進行簡單交換；給出相應的硬件和軟件原理以及重點難點說明。

    關鍵詞：CAN總線 以太網 數據交換 TCP/IP協議 BasicCAN模式

1 技術背景

CAN（Controller Area Network——控制器局域網）是一種由帶CAN控制器組成高性能串行數據局域通信網絡，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。它最早由德國Bosch公司推出，用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數據通信。其總線規(guī)范已被ISO估計標準組織制定為國際標準。由于其具有多主機、傳輸距離遠（最遠為10km）、傳輸速度快（最快為1Mbps）、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點，所以被認為是最有發(fā)展前途的現場總線之一。(范文先生網www.gymyzhishaji.com收集整理)

CAN協議是建立在國際標準組織的開放系統互連模型基礎上的。1991年9月，Philips Semiconductors制定并發(fā)布的CAN技術規(guī)范Version2.0為現行最高版本。其中規(guī)定了兩種模式：標準模式和擴展模式。本文主要對標準模式進行介紹。

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol——傳輸控制協議/網絡協議）是一個工業(yè)標準的協議集，包括IP、TCP、UDP等子協議，保證數據在網絡上的正確傳輸。TCP/IP協議是現代因特網的基礎。

TCP/IP協議為四層模型：應用層、傳輸層、網絡層和數據鏈路層。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。每層都對應一些子協議，如圖1所示。本文用到的協議包括ARP、IP和TCP等。

2 應用背景

CAN總線在很多行業(yè)被廣泛應用。由其組成的局域網可以將很多底層測控設備連接起來，最遠距離可達10km(在不接中繼器的條件下)。相對其它現場總線，該距離已經是很遠了。但隨著以太網的發(fā)展，人們希望對底層設備也能進行真正意義上的遠程控制。工控機加接口卡已經被用來實現這一目的，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、CAN器件和網絡芯片為核心的模塊來完成該功能進行敘述的。這種方案降低了成本，避免了瓶頸。

3 硬件部分

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

    P89C668：微控制器，主要的控制部分，實現對網絡芯片以及CAN器件的控制，并進行兩者之間的協議轉換。

SJA1000：CAN控制器，兩種工作模式（BasicCAN和PeliCAN）。BasicCAN僅支持標準模式，PeliCAN支持CAN2.0B的標準模式和擴展模式（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控制器進行相應配置后，收發(fā)器自動過完成相應的CAN總線動作。

RTL8019：網絡芯片，提供給微控制器控制以太網的簡單接口，使微控制器只需要對其進行相應讀寫即可完成對以太網的操作。

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

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相應的寄存器進行讀寫操作即可。在該模式下，報文識別碼為11位，在經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。如果總線上出現報文沖突，優(yōu)先級高的報文選占據總線。CAN節(jié)點間每次最多傳送的數據為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)寄存器結構大體相同，只是地址不同。

表1 發(fā)送緩沖區(qū)寄存器

名  稱 位7 位6 位5 位4 位3 位2 位1 位0 識別碼字節(jié)1 ID.10 ID.9 ID.8 ID.7 ID.6 ID.5 ID.4 ID.3 識別碼字節(jié)2 ID.2 ID.1 ID.0 RTR DLC.3 DLC.2 DLC.1 DLC.0 TX數據1～8 發(fā)送數據字節(jié)1～8

本實驗中用到P89C668的外部中斷1。該中斷由SJA1000引發(fā)，設置為當SJA1000收到來自另一節(jié)點的數據時，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，作為在相應程序中進行處理的依據。

4.2 TCP/IP協議

由于TCP/IP協議很復雜，涉及的內容很多。下面僅就幾點作簡要介紹。

（1）封裝和分層的概念

發(fā)送數據時要對數據進行逐層封裝，既加上相應的首部，作為所經過每層的標識。具體原理如圖3所示。接收到的數據是按一定結構封裝好的，我們要根據前面的首部信息，判斷數據應交付給下面哪一層，并將相應首部信息去除，這樣依次向下傳，到最后可以得到所傳送的真正數據。具體原理如圖4所示。

（2）以太網驅動程序

以太網驅動程序是提供鏈路層物理接口與網絡層交互的軟件接口。網絡層數據必須先交付給以太網驅動程序，由它將網絡層數據打包交付給物理接口，完成數據發(fā)送。反之，以太網驅動程序在接收到數據時，要按照應用層可以接收的形式進行處理并交付給網絡層。

（3）ARP協議

即地址解析協議，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據進行封裝，才能在以太網中進行傳輸，因此只知道接收站的邏輯地址是不夠的，必須事先通過ARP協議得到接收站的物理地址。

（4）IP協議

即網絡協議，提供一種不可靠的、無連接的服務，完成的功能有將運輸層待發(fā)送數據封裝成IP數據報，調用以太網驅動程序發(fā)送數據，從數據鏈路層接收數據，以及數據校驗等。

（5）TCP協議

即傳輸控制協議，是一種面向連接的、可靠的運輸協議。UDP協議實現相同功能，但它只把數據報分組從一臺主機發(fā)送到另一臺主機，不保證可靠性。本文主要使用TCP協議進行數據交換，而沒有采用UDP協議。實驗中用到P89C668的定時器0中斷，10ms中斷一次，主要為了進行ARP老化處理，設置TCP超時標志。

4.3 CAN與以太網的數據交換

數據交換原理簡單說就是對從以太網中收到的數據進行分層。如果是TCP數據報，取出真正的數據，并將其存入一個開辟的數據區(qū)，對數據進行相應分析后，按照BasicCAN模式進行發(fā)送。反過來，將接收到的CAN數據存入另一數據區(qū)，除去地址和個數信息，將其余數據按照TCP/IP協議進行封裝發(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處理子程序中根據其值進行處理。當上到來自另一節(jié)點的數據，則將該數據存入相應緩沖區(qū)，并置位一標志位，在主程序中的TCP超時處理子程序中判斷該標志位，如果為高則將該緩沖區(qū)中的數據拷貝到以太網發(fā)送緩部眍中，并將數據封裝發(fā)送。當P89C668接收到來自以太網的TCP數據報，同樣將一標志位置1，在CAN處理子程序（見圖6）中，根據該標志位判斷是否有數據要發(fā)送給另一節(jié)點。

在具體調試時，使一個CAN節(jié)點每隔一段時間向轉換模塊發(fā)送一些數據。該節(jié)點接收后，通過以太網轉發(fā)給上位機，上位機通過超級終端顯示接收的數據。同樣，可以通過超級終端發(fā)送一些鍵入的數據，經過轉換模塊傳給另一個CAN節(jié)點，從而改變它的一些內部數據。

5 小結

該實驗只是實現了以太網與BasicCAN模式下CAN的簡單數據交換，沒有涉及CAN的高層協議和復雜錯誤處理。不過有了該實驗的成功嘗試，使實現PeliCAN模式下的轉換以及加載完善的協議成為可能，可以說該實驗為CAN和以太網的融合打下了堅實的基礎。

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