張忠民，鄔曉靜

(哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)最先由德國BOSCH公司開發(fā)，并成為一種國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)［1］。由于CAN總線具有靈活、可靠、實時、開放性好、糾錯能力強等優(yōu)點，成為目前最有前途的現(xiàn)場總線之一［2］。但任何事物都具有兩面性，CAN總線也有不足之處，由于其收發(fā)器驅(qū)動能力有限，導(dǎo)致總線上可連接的最大節(jié)點數(shù)和最遠(yuǎn)直接傳輸距離受到了限制，無法進行遠(yuǎn)程控制，這給系統(tǒng)組網(wǎng)帶來了一定的制約條件。相較而言，以太網(wǎng)憑借著成本低、易于組網(wǎng)、擁有眾多應(yīng)用軟硬件的支持且根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求的實際情況，不斷地進行完善和改進，并逐步發(fā)展了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)(10 Mbit/s)、快速以太網(wǎng)(100 Mbit/s)千兆以太網(wǎng)和萬兆以太網(wǎng)等，成為目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［3］。若將以太網(wǎng)與CAN總線互聯(lián)，可降低成本，增加系統(tǒng)的最大CAN節(jié)點數(shù)，擴大系統(tǒng)的組網(wǎng)范圍，還可實現(xiàn)不同傳輸速度的現(xiàn)場總線子網(wǎng)的相互通信，及其設(shè)備層到管理層的一體化。所以，文中提出一種以太網(wǎng)與CAN總線互聯(lián)的通信網(wǎng)關(guān)設(shè)計方案。

1 硬件設(shè)計

圖1所示為本網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計與實現(xiàn)的整體方案框圖，網(wǎng)關(guān)模塊使用LPC2294作為主控制器，μC/OS-II操作系統(tǒng)為平臺，擴展了兩個網(wǎng)卡接口和CAN接口，并通過軟件設(shè)計完成CAN總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議相互轉(zhuǎn)換，最終實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)之間的雙冗余通信。

硬件電路可劃分為5個部分:控制電路、存儲電路、輔助電路、以太網(wǎng)接口電路和CAN總線接口電路。下面主要對控制電路、以太網(wǎng)接口電路和CAN總線接口電路進行分析。

1.1 系統(tǒng)控制器

圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)選用ARM處理器LPC2294作為控制芯片，主要是LPC2294具有超強的功能、功耗低及豐富的片上資源，更重要的是集成了4個支持CAN2.0B協(xié)議的CAN控制器，并帶有先進的驗收濾波器，提供了系統(tǒng)的集成度和復(fù)雜度，還提供了系統(tǒng)的穩(wěn)定性［4］。為滿足系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)存儲需要，外擴了1 MB的16位Flash芯片 SST39VF16 0，用于存儲程序代碼。其中Flash的地址線 A1～A20連接至 LPC2294的 A1～A20，數(shù)據(jù)線ED0～ED15通過一個雙電源供電的雙向收發(fā)器連接至 LPC2294的 DQ0～DQ15，CE#接至 LPC2294的CS0，將其分配到Bank0單元，其地址范圍0x8000 0000～0x8000 1000。OE#、OW#分別連接至LC2294的 OE#和WE#。同時外接了1 MB的16位SRAM存儲器IS6lLV25616AL，用于堆棧和數(shù)據(jù)的存儲。其中SRAM的地址線A1～A20連接至LPC2294的A0～A19，數(shù)據(jù)線IO0～IO15通過一個雙電源供電的雙向收發(fā)器連接至LPC2294的D0～D15，CE#接至LPC2294的 CS1，將其分配到 Bank1單元，該地址范圍0x8100 0000～0x8100 1000。LB#、UB分別與BLS0、BLS1相連，用于控制8位或16位讀寫數(shù)據(jù)。OE#、OW#分別連接至LC2294的OE#和WE#。

1.2 CAN接口電路設(shè)計

系統(tǒng)有兩個CAN接口，其中一個是主接口，另一個是冗余接口，均接入同一個CAN網(wǎng)絡(luò)，其目的是增加系統(tǒng)的可靠性。CAN2.0B控制器由LPC2294直接集成，無需外加獨立的CAN控制器，且LPC2294中集成了4個CAN控制器，在此系統(tǒng)中選用第1個和第2個CAN接口。CAN收發(fā)器選用了CAT8250T，主要作用是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，但與常用的CAN收發(fā)器TJA1050T不同的是該CAN收發(fā)器將CAN節(jié)點的收發(fā)與高速光耦、電源隔離集成在一個電路模塊中，且隔離電壓高達(dá)DC 2 500 V，接口簡單、使用方便，并對CAN總線有過電壓保護作用。同時還要在CANH和CANL與地之間并聯(lián)一個120 Ω的電阻，來匹配傳輸阻抗，吸收總線回波，確保有較低的電磁輻射和通信可靠性。

1.3 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計

系統(tǒng)由DM9000E以太網(wǎng)控制器，HR601860網(wǎng)卡變壓器，及RJ45接口，組成以太網(wǎng)接口電路。同樣選用了兩個網(wǎng)口電路，一個是主網(wǎng)口，另一個是冗余網(wǎng)口。其中，LPC2294使用16位總線方式對DM9000E進行控制，并使其工作在100 MHz全雙工模式下。對兩個網(wǎng)口的選用，是通過LPC2294的CS3、A22引腳來控制主網(wǎng)口的片選信號，即這兩個引腳與74AC32的引腳1和2相連，而引腳3連接主網(wǎng)口的ANE引腳。同理將 LPC2294的 CS3、A23經(jīng)74AC32與冗余網(wǎng)口的ANE引腳相連。再將 DM9000E的 CMD引腳與LPC2294的A2連接?？蓪⒅骶W(wǎng)和冗余網(wǎng)卡芯片的數(shù)據(jù)端口地址與索引端口地址分別配置成0x8380000、0x83800004和0x83400000、0x83400004。DM9000E 的物理層發(fā)送和接收端口TXO+、TXO-、RXI+、RXI-經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變壓器芯片HR601680接到RJ45接口。對于DM9000E的其余引腳可根據(jù)Datasheet中的說明，按要求連接即可，如圖2所示［5］。

最終，對DM9000E芯片進行驅(qū)動。該芯片的驅(qū)動主要由3部分完成:void InitNic()用以對芯片進行初始化，配置片內(nèi)寄存器等;void Send_P-acket(struct_pkst*TxdData)為數(shù)據(jù)發(fā)送程序，uint8 Rec_Packet(uint8 num)為數(shù)據(jù)接收程序，上層協(xié)議通過調(diào)用這兩個函數(shù)來發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。

2 軟件設(shè)計

2.1 報文結(jié)構(gòu)

CAN總線與以太網(wǎng)互聯(lián)的軟件設(shè)計主要包括從以太網(wǎng)中提取CAN數(shù)據(jù)和將CAN總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)。其中，CAN報文結(jié)構(gòu)可分為兩種不同的幀格式，而兩種幀格式的區(qū)別在于其標(biāo)識符的長度不同:標(biāo)準(zhǔn)幀中有11位標(biāo)識符，擴展幀中有29位標(biāo)識符［6］。本設(shè)計中采用的是擴展幀，且在本網(wǎng)關(guān)模塊收到CAN板卡的報文時，需按上述以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸報文格式對CAN數(shù)據(jù)進行封裝及打包并通過以太網(wǎng)發(fā)送。在此過程中不必對CAN報文的13 Byte數(shù)據(jù)進行高低位轉(zhuǎn)換和移位處理，采用透明轉(zhuǎn)換方式。便可減少數(shù)據(jù)解析及處理的時間，并提高了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的可靠性。

圖2 以太網(wǎng)接口電路

圖3 CAN數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)封裝格式

如圖3所示，該網(wǎng)關(guān)中規(guī)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(shù)據(jù)(如本系統(tǒng)中的CAN數(shù)據(jù)幀等)、自定義UDP首部、標(biāo)準(zhǔn)UDP/TCP首部、IP首部、以太網(wǎng)首部和最終校驗。本系統(tǒng)中主要采用的是UDP協(xié)議，目的是為了自定義控制字來區(qū)別不同類型的報文，包括有:CAN數(shù)據(jù)報文、時統(tǒng)報文、工作狀態(tài)請求報文、心跳報文及設(shè)備故障診斷信息報文。其中時統(tǒng)報文是在開機時或每30分鐘系統(tǒng)發(fā)送的對時請求。工作狀態(tài)報文是在各設(shè)備開機或復(fù)位并正常工作后自動發(fā)送的，還有收到詢問報文或狀態(tài)改變后發(fā)送，主要發(fā)送時戳和設(shè)備ID信息。心跳報文是在各設(shè)備開機或復(fù)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(shè)備故障診斷信息報文是當(dāng)接收到故障診斷請求報文或網(wǎng)關(guān)根據(jù)CAN板卡數(shù)據(jù)接收情況，自行檢測到網(wǎng)關(guān)箱內(nèi)該板卡故障情況的變化，一般網(wǎng)關(guān)在30分鐘內(nèi)未收到參數(shù)設(shè)置報文中指定的CAN板卡對應(yīng)節(jié)點的數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程幀等，可認(rèn)定此節(jié)點故障，并發(fā)送故障信息報文。這增添了系統(tǒng)的一些管理信息，根據(jù)不同的報文類型完成系統(tǒng)不同的通信功能。自定義UDP封裝格式如圖4所示。

圖4 應(yīng)用層數(shù)據(jù)UDP封裝格式

在自定義UDP封裝格式中，字節(jié)0～3為固定的幀頭信息，用以識別本網(wǎng)關(guān)模塊的數(shù)據(jù)報信息，無論是CAN報文、時統(tǒng)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(shù)據(jù)報網(wǎng)關(guān)模塊不進行處理。需注意的是，第20 bit開始才是真正的數(shù)據(jù)，每個信息單元均有各自的序號、標(biāo)識和長度等信息。其中信元的序號表示該信元在UDP數(shù)據(jù)報中的位置;標(biāo)識代表信息單元內(nèi)報文的類型。

2.2 程序設(shè)計

網(wǎng)關(guān)模塊的主要功能是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包與CAN數(shù)據(jù)幀之間的格式相互轉(zhuǎn)換，進而完成以太網(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(tǒng)，通過裁剪、移植使其能順利運行于LPC2294控制器。另外，在系統(tǒng)中移植了TCP/IP協(xié)議的核心功能函數(shù)，并編寫了6個任務(wù)函數(shù)，使其分工合作實現(xiàn)了模塊的各項功能，并通過μC/OS-II系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度管理機制來進行系統(tǒng)資源的分配。

系統(tǒng)首先建立設(shè)備初始化任務(wù)Task0，將該任務(wù)函數(shù)主要完成上電自檢，兩路CAN故障自檢，網(wǎng)口斷線檢測，本機IP、兩路CAN波特率及兩路網(wǎng)口等網(wǎng)關(guān)參數(shù)的初始化。在完成以上工作后，創(chuàng)建5個子任務(wù)，按優(yōu)先級由高到低依次為 TaskB、TaskC、TaskF、TaskD、TaskE的5個子任務(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;若接收到時統(tǒng)報文，按照協(xié)議解析，并將時戳信息寫入時鐘芯片。

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(shù)據(jù)，根據(jù)規(guī)定的傳輸方式將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并按照TCP傳輸方式，將數(shù)據(jù)封裝并發(fā)送到以太網(wǎng)。

TaskF:主要功能為定時發(fā)送特殊報文，如:心跳報文、時統(tǒng)報文、工作狀態(tài)請求報文及設(shè)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(shù)配置等功能。

5個子任務(wù)創(chuàng)建完成后，TaskB和TaskC進入阻塞狀態(tài)，等待各自的信號量 RecUdpQFlag和 RecTcpQFlag，由于這兩個任務(wù)的優(yōu)先級較高，說明網(wǎng)關(guān)模塊優(yōu)先轉(zhuǎn)換以太網(wǎng)向CAN總線方向的數(shù)據(jù)。因此，當(dāng)以太網(wǎng)中有數(shù)據(jù)到來時根據(jù)報文的類型可得到相應(yīng)的信號量，TaskB或TaskC立即進入就緒狀態(tài)等待執(zhí)行，若當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)優(yōu)先級低于這兩個任務(wù)，TaskB和TaskC可進行搶占執(zhí)行。當(dāng)網(wǎng)關(guān)模塊未收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)或處理完成后，任務(wù)函數(shù)TaskF檢測模塊的定時器，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(zhí)行完成后，判斷CAN節(jié)點是否有數(shù)據(jù)，并選擇用UDP或TCP方式發(fā)送到以太網(wǎng)，即選擇執(zhí)行 TaskD或TaskE，完成CAN向以太網(wǎng)方向的數(shù)據(jù)傳輸過程，在此期間允許TaskB和TaskC進行搶占執(zhí)行。系統(tǒng)通過調(diào)度這5個任務(wù)函數(shù)完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包與CAN數(shù)據(jù)幀間的格式轉(zhuǎn)換與傳輸，該程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

3 測試

將該上位機IP地址設(shè)置為192.1.1.11，打開網(wǎng)關(guān)參數(shù)設(shè)置界面對一些參數(shù)進行設(shè)置，如:網(wǎng)關(guān)參數(shù)回復(fù)IP地址、網(wǎng)關(guān)參數(shù)回復(fù)端口、網(wǎng)關(guān)模塊IP地址、網(wǎng)關(guān)接收端口號和CAN數(shù)據(jù)目標(biāo)IP地址等參數(shù)。隨后將CAN總線數(shù)據(jù)報文測試軟件ZLGCANTest打開，設(shè)置CAN總線的波特率為250 kbit·s-1，將CAN報文發(fā)出后用ZLGCAN-Test、Tcp＆Udp測試工具及EtherPeek NX軟件來查看網(wǎng)絡(luò)的通信情況。圖6便是由ZLGCANTest軟件所得到的，從圖中可知，CAN發(fā)送數(shù)據(jù)的幀類型是擴展幀，幀格式是數(shù)據(jù)幀，幀ID為0x0000 0000，每個CAN協(xié)議中發(fā)送8 bit的數(shù)據(jù)。而圖7是通過Tcp＆Udp測試工具得到的數(shù)據(jù)，并已在圖中標(biāo)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(biāo)識可判別出CAN報文，而后面的數(shù)據(jù)正是圖6中CAN報文中的13 bit數(shù)據(jù)，即對CAN報文采用透明轉(zhuǎn)換方式，將CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)成功發(fā)送到以太網(wǎng)。同樣方法可測試到以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)也成功發(fā)送至CAN。網(wǎng)絡(luò)中其他類型的報文也同樣如此。

圖6 CAN報文發(fā)送

圖7 CAN報文轉(zhuǎn)換后的網(wǎng)絡(luò)報文

4 結(jié)束語

文中闡述了以ARM7系列LPC2294為核心的以太網(wǎng)與CAN總線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的通信網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)過程，概述了本網(wǎng)關(guān)中采用的以太網(wǎng)和CAN總線的報文格式及其自定義UDP數(shù)據(jù)報文的結(jié)構(gòu)。并提出了網(wǎng)關(guān)的軟、硬件實現(xiàn)方法。通過實驗該網(wǎng)關(guān)模塊實現(xiàn)了以太網(wǎng)與CAN總線間的數(shù)據(jù)傳遞，且具有穩(wěn)定性和較高的可靠性。

［1］侯明，杜奕.基于LPC2292的Ethernet-CAN轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.裝備制造技術(shù)，2008(8):117-119.

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［3］鄭建彬，楊亞莉.以太網(wǎng)和CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)間的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計［J］.信息技術(shù)，2002(2):14-17.

［4］Philips Conpration.LPC2294 user manual［M］.Holand:Philips Conpration，2004.

［5］DAVICOM Conpration.DM9000 datasheet［M］.Taiwan:DAVI-COM，2002.

［6］鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001.