基于LPC2294的CAN與以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互聯(lián)的設計

如圖3所示，該網(wǎng)關(guān)中規定的以太網(wǎng)幀格式包括5部分，按照封裝的先后順序分別為：封裝的數據(如本系統中的CAN數據幀等)、自定義UDP首部、標準UDP／TCP首部、IP首部、以太網(wǎng)首部和最終校驗。本系統中主要采用的是UDP協(xié)議，目的是為了自定義控制字來(lái)區別不同類(lèi)型的報文，包括有：CAN數據報文、時(shí)統報文、工作狀態(tài)請求報文、心跳報文及設備故障診斷信息報文。其中時(shí)統報文是在開(kāi)機時(shí)或每30分鐘系統發(fā)送的對時(shí)請求。工作狀態(tài)報文是在各設備開(kāi)機或復位并正常工作后自動(dòng)發(fā)送的，還有收到詢(xún)問(wèn)報文或狀態(tài)改變后發(fā)送，主要發(fā)送時(shí)戳和設備ID信息。心跳報文是在各設備開(kāi)機或復位并正常工作后，每5 s周期發(fā)送，作用是通知其所在的網(wǎng)絡(luò )，是否工作狀態(tài)正常。設備故障診斷信息報文是當接收到故障診斷請求報文或網(wǎng)關(guān)根據CAN板卡數據接收情況，自行檢測到網(wǎng)關(guān)箱內該板卡故障情況的變化，一般網(wǎng)關(guān)在30分鐘內未收到參數設置報文中指定的CAN板卡對應節點(diǎn)的數據和遠程幀等，可認定此節點(diǎn)故障，并發(fā)送故障信息報文。這增添了系統的一些管理信息，根據不同的報文類(lèi)型完成系統不同的通信功能。自定義UDP封裝格式如圖4所示。

在自定義UDP封裝格式中，字節0～3為固定的幀頭信息，用以識別本網(wǎng)關(guān)模塊的數據報信息，無(wú)論是CAN報文、時(shí)統報文或工作狀態(tài)請求報文均使用該格式，若不符合該幀頭的數據報網(wǎng)關(guān)模塊不進(jìn)行處理。需注意的是，第20 bit開(kāi)始才是真正的數據，每個(gè)信息單元均有各自的序號、標識和長(cháng)度等信息。其中信元的序號表示該信元在UDP數據報中的位置；標識代表信息單元內報文的類(lèi)型。
2．2 程序設計
網(wǎng)關(guān)模塊的主要功能是以太網(wǎng)數據包與CAN數據幀之間的格式相互轉換，進(jìn)而完成以太網(wǎng)和CAN網(wǎng)絡(luò )間通訊。本模塊使用嵌入式μC／OS—II作為操作系統，通過(guò)裁剪、移植使其能順利運行于LPC2294控制器。另外，在系統中移植了TCP／IP協(xié)議的核心功能函數，并編寫(xiě)了6個(gè)任務(wù)函數，使其分工合作實(shí)現了模塊的各項功能，并通過(guò)μC／OS—II系統的任務(wù)調度管理機制來(lái)進(jìn)行系統資源的分配。
系統首先建立設備初始化任務(wù)Task0，將該任務(wù)函數主要完成上電自檢，兩路CAN故障自檢，網(wǎng)口斷線(xiàn)檢測，本機IP、兩路CAN波特率及兩路網(wǎng)口等網(wǎng)關(guān)參數的初始化。在完成以上工作后，創(chuàng )建5個(gè)子任務(wù)，按優(yōu)先級由高到低依次為T(mén)askB、TaskC、TaskF、TaskD、TaskE的5個(gè)子任務(wù)的具體功能如下：
TaskB：主要功能為接收UDP報文并解析，下發(fā)至CAN；若接收到時(shí)統報文，按照協(xié)議解析，并將時(shí)戳信息寫(xiě)入時(shí)鐘芯片。
TaskC：主要功能為接收TCP報文，按照協(xié)議解析并下發(fā)到CAN。
TaskD：完成接收CAN1口或CAN2口的數據，根據規定的傳輸方式將數據封裝成報文格式，并發(fā)送至以太網(wǎng)。
TaskE：完成接收CAN1口或CAN2口的數據，并按照TCP傳輸方式，將數據封裝并發(fā)送到以太網(wǎng)。
TaskF：主要功能為定時(shí)發(fā)送特殊報文，如：心跳報文、時(shí)統報文、工作狀態(tài)請求報文及設備故障診斷信息報文等，完成網(wǎng)關(guān)模塊的工作狀態(tài)檢測及參數配置等功能。
5個(gè)子任務(wù)創(chuàng )建完成后，TaskB和TaskC進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待各自的信號量RecUdpQFlag和RecTcpQ一Flag，由于這兩個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級較高，說(shuō)明網(wǎng)關(guān)模塊優(yōu)先轉換以太網(wǎng)向CAN總線(xiàn)方向的數據。因此，當以太網(wǎng)中有數據到來(lái)時(shí)根據報文的類(lèi)型可得到相應的信號量，TaskB或TaskC立即進(jìn)入就緒狀態(tài)等待執行，若當前執行的任務(wù)優(yōu)先級低于這兩個(gè)任務(wù)，TaskB和TaskC可進(jìn)行搶占執行。當網(wǎng)關(guān)模塊未收到以太網(wǎng)數據或處理完成后，任務(wù)函數TaskF檢測模塊的定時(shí)器，判斷是否需要發(fā)送工作狀態(tài)報文和心跳報文等特殊報文。執行完成后，判斷CAN節點(diǎn)是否有數據，并選擇用UDP或TCP方式發(fā)送到以太網(wǎng)，即選擇執行TaskD或TaskE，完成CAN向以太網(wǎng)方向的數據傳輸過(guò)程，在此期間允許TaskB和TaskC進(jìn)行搶占執行。系統通過(guò)調度這5個(gè)任務(wù)函數完成以太網(wǎng)數據包與CAN數據幀間的格式轉換與傳輸，該程序流程如圖5所示。

3 測試
將該上位機IP地址設置為192．1．1．11，打開(kāi)網(wǎng)關(guān)參數設置界面對一些參數進(jìn)行設置，如：網(wǎng)關(guān)參數回復IP地址、網(wǎng)關(guān)參數回復端口、網(wǎng)關(guān)模塊IP地址、網(wǎng)關(guān)接收端口號和CAN數據目標IP地址等參數。隨后將CAN總線(xiàn)數據報文測試軟件ZLGCANTest打開(kāi)，設置CAN總線(xiàn)的波特率為250 khit·s-1，將CAN報文發(fā)出后用ZLGCAN—Test、TcpUdp測試工具及EtherPeek NX軟件來(lái)查看網(wǎng)絡(luò )的通信情況。圖6便是由ZLGCANT est軟件所得到的，從圖中可知，CAN發(fā)送數據的幀類(lèi)型是擴展幀，幀格式是數據幀，幀ID為0x0000 0000，每個(gè)CAN協(xié)議中發(fā)送8 bit的數據。而圖7是通過(guò)TcpUdp測試工具得到的數據，并已在圖中標出，此報文頭由Etherner協(xié)議報文頭、IP協(xié)議報頭、UDP協(xié)議報頭和自定義UDP報頭組成，并從自定義UDP報頭中的報文標識可判別出CAN報文，而后面的數據正是圖6中CAN報文中的13 bit數據，即對CAN報文采用透明轉換方式，將CAN網(wǎng)絡(luò )數據成功發(fā)送到以太網(wǎng)。同樣方法可測試到以太網(wǎng)中數據也成功發(fā)送至CAN。網(wǎng)絡(luò )中其他類(lèi)型的報文也同樣如此。

4 結束語(yǔ)
文中闡述了以ARM7系列LPC2294為核心的以太網(wǎng)與CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)的通信網(wǎng)關(guān)實(shí)現過(guò)程，概述了本網(wǎng)關(guān)中采用的以太網(wǎng)和CAN總線(xiàn)的報文格式及其自定義UDP數據報文的結構。并提出了網(wǎng)關(guān)的軟、硬件實(shí)現方法。通過(guò)實(shí)驗該網(wǎng)關(guān)模塊實(shí)現了以太網(wǎng)與CAN總線(xiàn)間的數據傳遞，且具有穩定性和較高的可靠性。