CAN總線與以太網(wǎng)系統(tǒng)互連中網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

　　摘要：現(xiàn)場總線是用于生產(chǎn)制造現(xiàn)場的zui底層通信網(wǎng)絡(luò)，它實現(xiàn)了微機(jī)化的現(xiàn)場測量控制儀器或設(shè)備之間的雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信?，F(xiàn)場總線技術(shù)的關(guān)鍵是使自動控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備具備通信能力，將它們連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它具有開放統(tǒng)一的通信協(xié)議。
　　
　　1、引言
　　
　　科技和社會的發(fā)展，使20世紀(jì)末的化市場競爭激烈。競爭中的企業(yè)逐漸開始實施計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，采用系統(tǒng)集成、信息集成的觀點來組織工業(yè)生產(chǎn)。在這個系統(tǒng)中，為實現(xiàn)現(xiàn)場智能設(shè)備之間的多點數(shù)字通信，計算機(jī)測控技術(shù)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)緊密地結(jié)合在一起，產(chǎn)生了能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行、性能可靠、造價低廉的現(xiàn)場總線（FieldBus）技術(shù)。
　　
　　現(xiàn)場總線是用于生產(chǎn)制造現(xiàn)場的zui底層通信網(wǎng)絡(luò)，它實現(xiàn)了微機(jī)化的現(xiàn)場測量控制儀器或設(shè)備之間的雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信?，F(xiàn)場總線技術(shù)的關(guān)鍵是使自動控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備具備通信能力，將它們連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它具有開放統(tǒng)一的通信協(xié)議。
　　
　　CAN總線就是現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中形成的一個成熟技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它的協(xié)議建立在ISO/OSI模型基礎(chǔ)之上，但只采用了該模型底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層。在大型企業(yè)自動化系統(tǒng)中，上層企業(yè)管理層和生產(chǎn)監(jiān)控層一般采用的都是以太網(wǎng)和PC機(jī)，而在下層車間現(xiàn)場都是采用現(xiàn)場總線和單片機(jī)測控設(shè)備。上下兩層的溝通，通常采用工業(yè)控制機(jī)加以太網(wǎng)卡，再加上PC機(jī)插槽上的接口卡或并行打印口的EPP接口卡來實現(xiàn)。這種連接方式成本高，開發(fā)周期長。針對這種情況，我們設(shè)計一種單獨的CAN以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互連系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)以太網(wǎng)和現(xiàn)有CAN總線網(wǎng)的直接數(shù)據(jù)互聯(lián)。
　　
　　2、系統(tǒng)總體設(shè)計
　　
　　CAN總線是一個設(shè)備互連總線型控制網(wǎng)絡(luò)。在CAN總線上可以掛接多達(dá)110個設(shè)備節(jié)點，各設(shè)備間可以自主相互通信，實現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。但設(shè)備信息層無法直接到達(dá)信息管理層，要想設(shè)備信息進(jìn)入信息管理層就要通過一種數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。
　　
　　這里我們設(shè)計了一個SX52網(wǎng)關(guān)用于CAN總線與以太網(wǎng)的互連。系統(tǒng)總體分為三部分：現(xiàn)場測控網(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(jiān)控平臺和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫等）。以太網(wǎng)信息管理終端與CAN總線上的CAN節(jié)點通過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(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連作用。
　　
　　協(xié)議轉(zhuǎn)換是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連的技術(shù)關(guān)鍵和難點，協(xié)議轉(zhuǎn)換一般可采用分層轉(zhuǎn)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)層展開的，因而必須對互連層以下各層協(xié)議逐層向上轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換方法的依據(jù)是協(xié)議分層的基本原理：即低層支持高層，高層調(diào)用低層，低層斷開連接后，高層連接也隨之?dāng)嚅_，但高層斷開連接卻不會影響低層。從網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)上來看，我們設(shè)計的互連系統(tǒng)具有如圖一所示的分層結(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)上運行TCP/IP協(xié)議，它具有應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層；CAN總線具有應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其中應(yīng)用層由用戶自己定義，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層由CAN協(xié)議所定義；SX52數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)具有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，其應(yīng)用層也就是ETHERNET與CAN的信息數(shù)據(jù)交換層，SX52微控制器在此層相互解釋并轉(zhuǎn)發(fā)這兩種不同協(xié)議的數(shù)據(jù)。
　　
　　在本設(shè)計中，SX52網(wǎng)關(guān)被設(shè)計成了一個透明數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，也就是在以太網(wǎng)應(yīng)用層構(gòu)建和解析完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包，CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包作為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，它對通信數(shù)據(jù)的具體實際意義不做任何解釋。之所以把數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)計成透明式，是基于以下三個方面的考慮：
1）透明式網(wǎng)關(guān)設(shè)計相對不透明網(wǎng)關(guān)來說較簡單，在硬件上無須擴(kuò)展大容量的數(shù)據(jù)存儲器用于緩存通信數(shù)據(jù)；軟件上也不用考慮數(shù)據(jù)的聚集和分發(fā)處理，降低了程序設(shè)計的復(fù)雜度、提高了通信的速度和實時性。
2）透明式網(wǎng)關(guān)的適應(yīng)性強，它可以應(yīng)用于不同的項目要求，而不透明網(wǎng)關(guān)則要根據(jù)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(zhuǎn)換設(shè)計簡單，沒有較多復(fù)雜處理，從而提高了通信的可靠性。
　　
　　CAN總線網(wǎng)絡(luò)的zui大通信速率為1Mpbs，而以太網(wǎng)現(xiàn)在一般為10Mbps。這里就需考慮兩者之間的速度匹配問題，這里可以從兩個方面解決這個問題：一是在網(wǎng)關(guān)上使用較大的RAM，用來作為通信數(shù)據(jù)緩沖器，提高網(wǎng)路傳輸?shù)男?。二是限制以太網(wǎng)向CAN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，使它小于CAN總線的通信速率。
　　
　　3、CAN協(xié)議分析
　　
　　CAN是遵從OSI模型，按照OSI基準(zhǔn)模型，CAN結(jié)構(gòu)劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。按照IEEE802.2和802.3標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為：
　　
　　邏輯鏈路控制（LLC）
　　
　　媒體訪問控制（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子層運行借助稱之為“故障界定實體（FCE）”的管理實體進(jìn)行監(jiān)控。故障界定是使判別短暫干擾和*性故障成為可能的一種自檢機(jī)制。物理層可借助檢測和管理物理媒體故障實體進(jìn)行監(jiān)控（例如總線短路或中斷，總線故障管理）。LLC和MAC兩個同等的協(xié)議實體通過交換幀或協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU—ProtocolDataUnit）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(fù)管理。其中，超載通告功能是如果接收器內(nèi)部條件要求延遲下一個LLC數(shù)據(jù)幀或LLC遠(yuǎn)程幀，則通過LLC子層開始發(fā)送超載幀zui多可產(chǎn)生兩個超載幀，以延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀。
　　
　　按照網(wǎng)絡(luò)的OSI七層模型來看，CAN總線網(wǎng)絡(luò)完成了zui下面兩層協(xié)議的工作，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，它們由CAN控制器的硬件實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和幀的封裝。在實際應(yīng)用中，還需要建立自己的上層協(xié)議。這里設(shè)計了一種簡單實用的“命令項+數(shù)據(jù)項”結(jié)構(gòu)，其完整數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖二所示。
　　
　　考慮到工業(yè)控制中的功能一般不多，因此命令項的長度設(shè)定為1BYTE（可以描述256種命令）。在數(shù)據(jù)項里設(shè)置數(shù)據(jù)長度是考慮到CAN總線是短幀傳送（數(shù)據(jù)幀，每幀數(shù)據(jù)只有8BYTE），有的命令所需的數(shù)據(jù)參數(shù)可能大于7BYTE，同時很有可能返回的數(shù)據(jù)也較大，所以，這里設(shè)置一個字節(jié)的數(shù)據(jù)長度項，就可使用戶定義數(shù)據(jù)幀長度達(dá)到256字節(jié)。
　　
　　4、SX52的TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計
　　
　　ARP協(xié)議可以實現(xiàn)邏輯地址到物理地址的動態(tài)映射。以太網(wǎng)接口支持一個*的48-bit的物理地址。在SX52中，ARP協(xié)議是通過一個“IP地址對應(yīng)以太網(wǎng)地址”的單登記核實現(xiàn)。當(dāng)遠(yuǎn)程主機(jī)需要知道它的物理地址時，遠(yuǎn)程主機(jī)會向它發(fā)送ARP請求，這時它就會響應(yīng)這個遠(yuǎn)程主機(jī)的請求，告訴對方自己的物理地址。當(dāng)應(yīng)用層需要傳輸IP數(shù)據(jù)包時，SX52ARP協(xié)議也可以請求遠(yuǎn)程目的物理地址。
　　
　　要傳輸?shù)腎nternet數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)控制器的發(fā)送緩沖區(qū)中被構(gòu)建，它使用zui近接收到的數(shù)據(jù)包的目的以太網(wǎng)地址作為發(fā)送數(shù)據(jù)包的目的地址。當(dāng)然，這可能不是正確的以太網(wǎng)地址，因此，在實際發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，ARP協(xié)議將檢查發(fā)送數(shù)據(jù)包中的IP地址是否存在于ARP核中，如果發(fā)送數(shù)據(jù)包中的IP地址在這個核中，在以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)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ARP請求包，然后等待一個應(yīng)答。一旦這個ARP應(yīng)答接收到，這個ARP核將使用剛接收到的目標(biāo)以太網(wǎng)地址更新，接著，等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包也將使用這個以太網(wǎng)地址更新，然后被發(fā)送出去。如果發(fā)送的ARP請求包沒有應(yīng)答，導(dǎo)致ARP定時器超時，這是等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包將被廢棄，正常的協(xié)議棧繼續(xù)運行。
　　
　　IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族中zui為核心的協(xié)議。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)報格式傳輸。IP提供不可靠、無連接的數(shù)據(jù)報傳送服務(wù)，不能保證IP數(shù)據(jù)報成功地到達(dá)目的地。如果發(fā)生某種錯誤時，如某個路由器暫時用完了緩沖區(qū)，IP有一個簡單的錯誤處理算法：丟棄該數(shù)據(jù)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提供。無連接的意思是IP并不維護(hù)任何關(guān)于后續(xù)數(shù)據(jù)報的狀態(tài)信息，每個數(shù)據(jù)報的處理是相互獨立的。這也說明，IP數(shù)據(jù)報可以不按發(fā)送順序接收。在本設(shè)計中，IP協(xié)議是針對特殊的應(yīng)用環(huán)境下的合理簡化。CAN總線的控制網(wǎng)絡(luò)是一種短幀、實時網(wǎng)絡(luò)，所以，IP數(shù)據(jù)包無須分片（MF=DF=0），同時,設(shè)置IP服務(wù)類型為一般類型，其頭長為20字節(jié)，首部長度字段為5，壽命TTL設(shè)置為64。
　　
　　TCP向應(yīng)用層提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務(wù)。在面向工業(yè)控制上的應(yīng)用時，可以對復(fù)雜的TCP協(xié)議做合理的簡化，因為CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸速度較快，數(shù)據(jù)量小且l0Mpbs的以太網(wǎng)傳輸一般不會發(fā)生阻塞，以太網(wǎng)上的主機(jī)也會有足夠的能力及時處理通信數(shù)據(jù)。所以可以固定超時與重傳的時間為5s，此外RTL8019AS上有兩個1500字節(jié)的接收緩沖區(qū)，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(jié)。設(shè)計中采用一般的TCP服務(wù)就可以滿足應(yīng)用，所以可以忽略緊急指針和選項和填充字段的值。通過上述的三點簡化，實際上大大簡化了TCP協(xié)議的實現(xiàn)，因為TCP的超時與重傳的時間的確定和窗口大小的控制有著較復(fù)雜的算法和實現(xiàn)機(jī)制。
　　
　　5、創(chuàng)新點總結(jié)
　　
　　本文的創(chuàng)新點是針對傳統(tǒng)工業(yè)控制自動化現(xiàn)場總線連接方式成本高，開發(fā)周期長的不足之處，設(shè)計一種單獨的CAN以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互連系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)以太網(wǎng)和現(xiàn)有CAN總線網(wǎng)的直接數(shù)據(jù)互聯(lián)。現(xiàn)場總線通過與因特網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)相連，使自動控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備成為企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的一個組成部分。系統(tǒng)在開放性、互操作性、現(xiàn)場設(shè)備智能化、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、對現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性等性能方面得到了很大的提高，成功實現(xiàn)兩個異類網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。