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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。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行部件之間的數據通信。其總線規范已被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點,所以被認為是最有發展前途的現場總線之一。
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制定并發布的CAN技術規范Version2.0為現行最高版本。其中規定了兩種模式: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收發器和控制器;也可采用集成CAN控制器的單片機外加CAN收發器和網絡芯片。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收發器,微控制器對CAN控制器進行相應配置后,收發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。識別碼值越小,優先級越高。如果總線上出現報文沖突,優先級高的報文選占據總線。CAN節點間每次最多傳送的數據為10個字節。發送緩沖區寄存器的描述如表1所列,它與接收緩沖區寄存器結構大體相同,只是地址不同。
表1 發送緩沖區寄存器
本實驗中用到P89C668的外部中斷1。該中斷由SJA1000引發,設置為當SJA1000收到來自
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