CAN總線(xiàn)互連中網(wǎng)關(guān)的設計與實(shí)現

摘要： 本文系統地研究了CAN總線(xiàn)與以太網(wǎng)互連的技術(shù)要點(diǎn)，首先分析互連技術(shù)在實(shí)現過(guò)程中遇到的難點(diǎn)――協(xié)議轉換。然后提出了一種CAN總線(xiàn)與以太網(wǎng)系統互連設計方案，并詳細闡述了其系統的軟硬件實(shí)現方法。為了提高系統的性能，采用高速微控制器SX52來(lái)設計嵌入式透明網(wǎng)關(guān)，詳細介紹了用SX52在TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現的方法，以SX52較強的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議處理能力保證了整個(gè)系統性能的提升。
關(guān)鍵詞:CAN，協(xié)議轉換，網(wǎng)關(guān)，SX52

The gist of CAN bus and internet ethernet network technology are discussed in this paper.First,We analyse difficulty when the protocol was transformed. Second,we put forward a systemic design schema and implementation. In order to improve system performance,We select SX52 with high speed micro-controler to design embedded gateway.at the same time ,we introduce how to use SX52 to realize TCP/IP protocol and improve the performance of network processor so that system can work well.

Keyword: CAN FieldBus ，Protocol conversion,Gateway,SX52

1 引言

科技和社會(huì )的發(fā)展，使20世紀末的全球化市場(chǎng)競爭空前激烈。競爭中的企業(yè)逐漸開(kāi)始實(shí)施計算機集成制造系統，采用系統集成、信息集成的觀(guān)點(diǎn)來(lái)組織工業(yè)生產(chǎn)。在這個(gè)系統中，為實(shí)現現場(chǎng)智能設備之間的多點(diǎn)數字通信，計算機測控技術(shù)與計算機網(wǎng)絡(luò )緊密地結合在一起，產(chǎn)生了能在工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境運行、性能可靠、造價(jià)低廉的現場(chǎng)總線(xiàn)(FieldBus)技術(shù)。

現場(chǎng)總線(xiàn)是用于生產(chǎn)制造現場(chǎng)的最底層通信網(wǎng)絡(luò )，它實(shí)現了微機化的現場(chǎng)測量控制儀器或設備之間的雙向串行多節點(diǎn)數字通信?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的關(guān)鍵是使自動(dòng)控制系統與現場(chǎng)設備具備通信能力，將它們連接成網(wǎng)絡(luò )系統，實(shí)現現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )與控制系統的集成。作為網(wǎng)絡(luò )系統，它具有開(kāi)放統一的通信協(xié)議。CAN總線(xiàn)就是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)應用中形成的一個(gè)成熟技術(shù)標準。它的協(xié)議建立在ISO/OSI模型基礎之上，但只采用了該模型底層的物理層、數據鏈路層和頂層的應用層。在大型企業(yè)自動(dòng)化系統中，上層企業(yè)管理層和生產(chǎn)監控層一般采用的都是以太網(wǎng)和PC機，而在下層車(chē)間現場(chǎng)都是采用現場(chǎng)總線(xiàn)和單片機測控設備。上下兩層的溝通，通常采用工業(yè)控制機加以太網(wǎng)卡，再加上PC機插槽上的接口卡或并行打印口的EPP接口卡來(lái)實(shí)現。這種連接方式成本高，開(kāi)發(fā)周期長(cháng)。針對這種情況，我們設計一種單獨的CAN以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互連系統，成功地實(shí)現以太網(wǎng)和現有CAN總線(xiàn)網(wǎng)的直接數據互聯(lián)。

2 系統總體設計

CAN總線(xiàn)是一個(gè)設備互連總線(xiàn)型控制網(wǎng)絡(luò )。在CAN總線(xiàn)上可以?huà)旖佣噙_110個(gè)設備節點(diǎn)，各設備間可以自主相互通信，實(shí)現復雜網(wǎng)絡(luò )控制系統。但設備信息層無(wú)法直接到達信息管理層，要想設備信息進(jìn)入信息管理層就要通過(guò)一種數據網(wǎng)關(guān)。

這里我們設計了一個(gè)SX52網(wǎng)關(guān)用于CAN總線(xiàn)與以太網(wǎng)的互連。系統總體分為三部分：現場(chǎng)測控網(wǎng)絡(luò )（CAN網(wǎng)絡(luò )）、嵌入式透明SX52網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)信息管理終端（如監控平臺和網(wǎng)絡(luò )數據庫等）。以太網(wǎng)信息管理終端與CAN總線(xiàn)上的CAN節點(diǎn)通過(guò)ETHERNET，SX52網(wǎng)關(guān)，CANBUS相互通信，其中SX52網(wǎng)關(guān)起到核心的異構網(wǎng)絡(luò )的互連作用。

協(xié)議轉換是異構網(wǎng)絡(luò )互連的技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn)，協(xié)議轉換一般可采用分層轉換的方法，自低向上逐層進(jìn)行。目前互連大都是在網(wǎng)際層或網(wǎng)絡(luò )層展開(kāi)的，因而必須對互連層以下各層協(xié)議逐層向上轉換，這種轉換方法的依據是協(xié)議分層的基本原理：即低層支持高層，高層調用低層，低層斷開(kāi)連接后，高層連接也隨之斷開(kāi)，但高層斷開(kāi)連接卻不會(huì )影響低層。從網(wǎng)絡(luò )的分層結構上來(lái)看，我們設計的互連系統具有如圖一所示的分層結構。以太網(wǎng)上運行TCP/IP協(xié)議，它具有應用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò )層、以太網(wǎng)數據鏈路層和物理層；CAN總線(xiàn)具有應用層、數據鏈路層和物理層，其中應用層由用戶(hù)自己定義，數據鏈路層和物理層由CAN協(xié)議所定義；SX52數據網(wǎng)關(guān)具有物理層、數據鏈路層和應用層，其應用層也就是ETHERNET與CAN的信息數據交換層，SX52微控制器在此層相互解釋并轉發(fā)這兩種不同協(xié)議的數據。

圖 一 CAN總線(xiàn)與以太網(wǎng)互連的網(wǎng)絡(luò )分層結構

在本設計中，SX52網(wǎng)關(guān)被設計成了一個(gè)透明數據網(wǎng)關(guān)，也就是在以太網(wǎng)應用層構建和解析完整的CAN協(xié)議數據包，CAN協(xié)議數據包作為T(mén)CP/IP網(wǎng)絡(luò )應用層的數據進(jìn)行傳輸，它對通信數據的具體實(shí)際意義不做任何解釋。之所以把數據網(wǎng)關(guān)設計成透明式，是基于以下三個(gè)方面的考慮：1）透明式網(wǎng)關(guān)設計相對不透明網(wǎng)關(guān)來(lái)說(shuō)較簡(jiǎn)單，在硬件上無(wú)須擴展大容量的數據存儲器用于緩存通信數據；軟件上也不用考慮數據的聚集和分發(fā)處理，降低了程序設計的復雜度、提高了通信的速度和實(shí)時(shí)性。2）透明式網(wǎng)關(guān)的適應性強，它可以應用于不同的項目要求，而不透明網(wǎng)關(guān)則要根據不同要求對網(wǎng)關(guān)程序作出不同的修改。3）因為協(xié)議轉換設計簡(jiǎn)單，沒(méi)有較多復雜處理，從而提高了通信的可靠性。

CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的最大通信速率為1Mpbs，而以太網(wǎng)現在一般為10Mbps。這里就需考慮兩者之間的速度匹配問(wèn)題，這里可以從兩個(gè)方面解決這個(gè)問(wèn)題：一是在網(wǎng)關(guān)上使用較大的RAM，用來(lái)作為通信數據緩沖器，提高網(wǎng)路傳輸的效率。二是限制以太網(wǎng)向CAN總線(xiàn)傳輸的數據量，使它小于CAN總線(xiàn)的通信速率。

3 CAN協(xié)議分析

CAN是遵從OSI模型，按照OSI基準模型，CAN結構劃分為兩層：數據鏈路層和物理層。按照IEEE802.2和802.3標準，數據鏈路層又劃分為：

――邏輯鏈路控制（LLC）

――媒體訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）

物理層又劃分為：

――物理信令（PLS）

――物理媒體附屬裝置（PMA）

――媒體相關(guān)接口（MDI）

MAC子層運行借助稱(chēng)之為“故障界定實(shí)體(FCE)”的管理實(shí)體進(jìn)行監控。故障界定是使判別短暫干擾和永久性故障成為可能的一種自檢機制。物理層可借助檢測和管理物理媒體故障實(shí)體進(jìn)行監控（例如總線(xiàn)短路或中斷，總線(xiàn)故障管理）。LLC和MAC兩個(gè)同等的協(xié)議實(shí)體通過(guò)交換幀或協(xié)議數據單元（PDU―Protocol Data Unit）相互通信。

LLC子層提供的功能包括：幀接收濾波、超載通告和恢復管理。其中，超載通告功能是如果接收器內部條件要求延遲下一個(gè)LLC數據幀或LLC遠程幀，則通過(guò)LLC子層開(kāi)始發(fā)送超載幀最多可產(chǎn)生兩個(gè)超載幀，以延遲下一個(gè)數據幀或遠程幀。

按照網(wǎng)絡(luò )的OSI七層模型來(lái)看，CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )完成了最下面兩層協(xié)議的工作，即物理層和數據鏈路層，它們由CAN控制器的硬件實(shí)現電平轉換和幀的封裝。在實(shí)際應用中，還需要建立自己的上層協(xié)議。這里設計了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的“命令項+數據項”結構，其完整數據幀結構如圖二所示。

圖 二 應用層幀結構

考慮到工業(yè)控制中的功能一般不多，因此命令項的長(cháng)度設定為1BYTE（可以描述256種命令）。在數據項里設置數據長(cháng)度是考慮到CAN總線(xiàn)是短幀傳送（數據幀，每幀數據只有8BYTE），有的命令所需的數據參數可能大于7BYTE，同時(shí)很有可能返回的數據也較大，所以，這里設置一個(gè)字節的數據長(cháng)度項，就可使用戶(hù)定義數據幀長(cháng)度達到256字節。

4 SX52的TCP/IP協(xié)議棧的設計

ARP協(xié)議可以實(shí)現邏輯地址到物理地址的動(dòng)態(tài)映射。以太網(wǎng)接口支持一個(gè)唯一的48-bit的物理地址。在SX52中，ARP協(xié)議是通過(guò)一個(gè)“IP地址對應以太網(wǎng)地址”的單登記核實(shí)現。當遠程主機需要知道它的物理地址時(shí)，遠程主機會(huì )向它發(fā)送ARP請求，這時(shí)它就會(huì )響應這個(gè)遠程主機的請求，告訴對方自己的物理地址。當應用層需要傳輸IP數據包時(shí)，SX52 ARP協(xié)議也可以請求遠程目的物理地址。

要傳輸的Internet數據包數據包在以太網(wǎng)控制器的發(fā)送緩沖區中被構建，它使用最近接收到的數據包的目的以太網(wǎng)地址作為發(fā)送數據包的目的地址。當然，這可能不是正確的以太網(wǎng)地址，因此，在實(shí)際發(fā)送數據包之前，ARP協(xié)議將檢查發(fā)送數據包中的IP地址是否存在于A(yíng)RP核中，如果發(fā)送數據包中的IP地址在這個(gè)核中，在以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區中的數據包將使用ARP核中的以太網(wǎng)地址更新，如果不在，則ARP協(xié)議將發(fā)送一個(gè)ARP請求包，然后等待一個(gè)應答。一旦這個(gè)ARP應答接收到，這個(gè)ARP核將使用剛接收到的目標以太網(wǎng)地址更新，接著(zhù)，等待發(fā)送的數據包也將使用這個(gè)以太網(wǎng)地址更新，然后被發(fā)送出去。如果發(fā)送的ARP請求包沒(méi)有應答，導致ARP定時(shí)器超時(shí)，這是等待發(fā)送的數據包將被廢棄，正常的協(xié)議棧繼續運行。

IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP數據都以IP數據報格式傳輸。IP提供不可靠、無(wú)連接的數據報傳送服務(wù)，不能保證IP數據報成功地到達目的地。如果發(fā)生某種錯誤時(shí)，如某個(gè)路由器暫時(shí)用完了緩沖區，IP有一個(gè)簡(jiǎn)單的錯誤處理算法：丟棄該數據報，然后發(fā)送ICMP 消息報給信源端。任何要求的可靠性必須由上層來(lái)提供。無(wú)連接的意思是IP并不維護任何關(guān)于后續數據報的狀態(tài)信息，每個(gè)數據報的處理是相互獨立的。這也說(shuō)明，IP數據報可以不按發(fā)送順序接收。在本設計中，IP協(xié)議是針對特殊的應用環(huán)境下的合理簡(jiǎn)化。CAN總線(xiàn)的控制網(wǎng)絡(luò )是一種短幀、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )，所以，IP數據包無(wú)須分片（MF=DF=0），同時(shí),設置IP服務(wù)類(lèi)型為一般類(lèi)型，其頭長(cháng)為20字節，首部長(cháng)度字段為5，壽命TTL設置為64。

TCP向應用層提供一種面向連接的、可靠的字節流服務(wù)。在面向工業(yè)控制上的應用時(shí)，可以對復雜的TCP協(xié)議做合理的簡(jiǎn)化，因為CAN網(wǎng)絡(luò )傳輸速度較快，數據量小且l0Mpbs的以太網(wǎng)傳輸一般不會(huì )發(fā)生阻塞，以太網(wǎng)上的主機也會(huì )有足夠的能力及時(shí)處理通信數據。所以可以固定超時(shí)與重傳的時(shí)間為5s，此外RTL8019AS上有兩個(gè)1500字節的接收緩沖區，且CAN網(wǎng)絡(luò )為控制網(wǎng)，信息量小，所以可以固定接受窗口為1400字節。設計中采用一般的TCP服務(wù)就可以滿(mǎn)足應用，所以可以忽略緊急指針和選項和填充字段的值。通過(guò)上述的三點(diǎn)簡(jiǎn)化，實(shí)際上大大簡(jiǎn)化了TCP協(xié)議的實(shí)現，因為T(mén)CP的超時(shí)與重傳的時(shí)間的確定和窗口大小的控制有著(zhù)較復雜的算法和實(shí)現機制。

5 創(chuàng )新點(diǎn)總結

本文的創(chuàng )新點(diǎn)是針對傳統工業(yè)控制自動(dòng)化現場(chǎng)總線(xiàn)連接方式成本高，開(kāi)發(fā)周期長(cháng)的不足之處，設計一種單獨的CAN以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互連系統，成功地實(shí)現以太網(wǎng)和現有CAN總線(xiàn)網(wǎng)的直接數據互聯(lián)?，F場(chǎng)總線(xiàn)通過(guò)與因特網(wǎng)、企業(yè)內部網(wǎng)相連，使自動(dòng)控制系統與現場(chǎng)設備成為企業(yè)綜合自動(dòng)化系統和信息系統的一個(gè)組成部分。系統在開(kāi)放性、互操作性、現場(chǎng)設備智能化、系統結構、對現場(chǎng)環(huán)境適應性等性能方面得到了很大的提高，成功實(shí)現兩個(gè)異類(lèi)網(wǎng)絡(luò )的數據通信。

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