基于CAN總線(xiàn)與以太網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)設計

近年來(lái)，隨著(zhù)以太網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，特別是通信速率的提高和交互技術(shù)的應用，使得以太網(wǎng)技術(shù)應用于現場(chǎng)控制領(lǐng)域成為可能，這對工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生了新的影響。從目前的趨勢來(lái)看，以太網(wǎng)己經(jīng)進(jìn)入了現場(chǎng)控制級，但是已有的現場(chǎng)總線(xiàn)仍將繼續存在，工業(yè)以太網(wǎng)只能占領(lǐng)一定的市場(chǎng)。
從現實(shí)來(lái)看，以太網(wǎng)擴展了現有的系統，但是現場(chǎng)總線(xiàn)不可能完全被工業(yè)以太網(wǎng)替代，后者的潛力巨大，其應用領(lǐng)域一定會(huì )不斷擴大。所以，將現場(chǎng)總線(xiàn)與以太網(wǎng)結合，從而實(shí)現底層生產(chǎn)與上層管理的緊密集成，已經(jīng)成為一種趨勢。CAN總線(xiàn)作為國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一，在我國也得到了很廣泛的應用，該設計以 CAN總線(xiàn)作為工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)，實(shí)現其與以太網(wǎng)的互聯(lián)。

1 硬件結構
目前，對于CAN和以太網(wǎng)相連的嵌入式網(wǎng)關(guān)設計主要有兩種方法：一種是低檔MCU加接口芯片的設計方法，另一種是高檔MCU加EOS(實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統)再加接口芯片的設計方法。因CAN只采用了ISO／OSI參考模型的一、二層，協(xié)議相對簡(jiǎn)單，比較適合用于低成本、速率要求不高的離散控制系統。從合理的成本和有效利用處理能力這兩方面考慮，該設計采用低檔MCU加接口芯片的方法，其硬件框圖見(jiàn)圖 1。

1．1 主控芯片及以太網(wǎng)接口模塊
根據要求，該系統選擇了性能價(jià)格比較高的Atmel公司生產(chǎn)的AT89C55單片機。它是面向測控對象和嵌入式應用的，所以它的體系結構以及CPU、指令系統、外圍單元電路都是按照這種要求專(zhuān)門(mén)設計的。它內部帶高達20 KB的FLASH程序存儲器，AT89C55完全兼容8051指令集，片上FLASH方便了使用者進(jìn)行在線(xiàn)編程，工作速率最高可達33 MHz，256 B的內部RAM，32個(gè)可編程的I／O口，3個(gè)16位的定時(shí)／計數器，8個(gè)中斷源，支持低功耗的空閑工作模式。以太網(wǎng)接口選用的是RTL8019AS芯片，它是由Realtek公司生產(chǎn)的一種高度集成的以太網(wǎng)控制器，能實(shí)現以太網(wǎng)媒介訪(fǎng)問(wèn)層(MAC)和物理層(PHY)的全部功能。RTL8019AS內部有兩個(gè)RAM區域：一是16 KB，地址為0x4000～0x7fff，要接收和發(fā)送數據包必須通過(guò)DMA讀寫(xiě)RTL8019AS內部的16 KB的RAM，它實(shí)際上是雙端口RAM，即有兩條總線(xiàn)與其連接，一條總線(xiàn)用于RTL8019AS讀／寫(xiě)或寫(xiě)／讀該RAM，即本地DMA；另一條總線(xiàn)用于單片機讀或寫(xiě)該RAM，即遠程DMA；二是32個(gè)字節，地址為0x0000～0x001F，用于存儲以太網(wǎng)物理地址。主控芯片和以太網(wǎng)接口芯片的硬件接口原理圖見(jiàn)圖2。值得注意的是由于以太網(wǎng)的包最大可以超過(guò)1 500個(gè)字節，AT89C55的片內RAM只有256個(gè)字節，因此無(wú)法存儲這么大的包，所以這里擴展了一個(gè)32 KB的外部RAM，這樣同時(shí)也能提高單片機的數據傳輸速度。

1．2 CAN接口模塊
組成CAN系統的主要器件是CAN控制器和收發(fā)器。該設計中，CAN接口模塊選用SJA1000芯片和PCA82C250芯片。SJA1000是一個(gè)獨立的CAN控制器，它是Philips公司另一個(gè)CAN控制器PCA82C200的替代產(chǎn)品，且增加了一種新的工作模式(Peli CAN)，這種模式支持CAN 2．0B協(xié)議。SJA1000主要完成CAN的通信協(xié)議，實(shí)現報文的裝配和拆分、接收信息的過(guò)濾和校驗等。