基于“网络通”的单片机以太网-CAN网关的应用

1 概述

在工厂、变电站、智能大厦等大型企业自动化系统中,如 图1(a) 所示,在上层企业管理层和生产 监控层采用的都是以太网和PC机,而在下层车间、现场都是采用现场总线（如RS-485、CAN、 lonWorks、基金会等）和单片机测控设备。上下两层的沟通,通常采用工业控制机加以太网卡,再加 上PC机插槽上的接口卡或并行打印口的EPP接口卡来实现。这种连接方式成本高,开发周期长,接 口卡成为系统上下两层的通信瓶颈,一旦出现故障,上下两层的联系就告中断。为此,如 图1(b) 所 示,我们利用廉价的"网络通"组成基于单片机的以太网-CAN网关取代昂贵的工控机加接口卡,成 功地实现了以太网和现有CAN总线网的直接连接,实现管理监控层（以太网）和生产测控层（CAN总 线网）之间的连接。上下层数据能方便地进行交流。

图1 两种分布式自动控制系统结构比较

更重要的一点在于,现在成熟、稳定、廉价的以太网已经普及深入到了工厂、车间、大楼等基层。在大型企业自动化系统中,没有必要再采用现场总线和两级结构,可直接利用廉价的以太网接口模块"网络通",将各种测控设备直接接入以太网,形成现代化的网络控制系统。

2 以太网-CAN网关的组成原理

在网络控制系统中,我们利用"网络通"组成基于单片机的以太网-CAN网关,结构组成如 图 2 所 示。"网络通"由以太网接口A和微处理器组成。在此基础上增加CAN接口B就组成了以太网-CAN 网关。

图2 基于"网络通"的以太-CAN 网关

（1） 以太网接口A

以太网接口A可选用符合IEEE802.3协议的10Base-T通用接口芯片,如 UM9003、RTL8019等,完成与以太网在物理层和数据链路层的连接。使用 RJ-45插口,可以直接挂接到以太网上。

（2） 微处理器

微处理器负责对以太网接口A芯片和CAN接口B芯片进行控制。微处理器内驻有 TCP/IP通信协议和CAN协议,完成以太网协议和CAN总线协议转换,实现接口 A和接口B通信数据的透明传输。

由于CAN总线传输的数据量不大,数据传输速率不高,远小于以太网的数据传输速率,所以在以太网 -CAN接口模块中,数据的传送瓶颈在CAN接口B。在测控领域,通常传输的数据量不大,对数据传输 速率要求也不高,于是,在此模块中微处理器可选用通常的单片机如 8031等。

（3） CAN接口B

CAN接口B采用了飞利浦的CAN物理层和链路层接口芯片SJA1000和 PCA82C250。微处理器直接控制SJA1000的AD0～AD7、、、ALE、RST 和脚。SJA1000的MODEL脚接高电平,工作在Intel模式下;片选脚接地,始终处于选通状态,如 图 3 所示。微处理器对 SJA1000的操作主要是对寄存器的操作：一方面对SJA1000的模式寄存器 （MOD）、命令寄存器（CMR）、状态寄存器（SR）、中断寄存器（ IR）、中断允许寄存器（IEP）、总线定时寄存器（BTR0、 BTR1）、输出控制寄存器（OCR）、时钟分频计数器（CDR）进行设置和检测; 另一方面对收发缓冲区进行读写,从而和CAN设备交换数据。

图3 以太网-CAN 接口原理图

图 4 是微处理器对SJA1000进行初始化、读、写的流程图。微处理器将 以太网送来的命令通过向SJA1000写,来传送给CAN测控设备;反过来,又将向SJA1000读取CAN 测控设备的测量值或状态,通过以太网发送出去。

图4 微处理器CAN接口原理图

3 以太网-CAN网关的主要特性

网络分布式控制需要有开放式、数字化、多点通信的控制网络,基于现场总线的网络分布式控制 系统能够广泛应用自动化系统说明了这点。使用以太网取代现场总线网不仅满足这些需求,而且还有许多优点。

① 不需要专门铺设CAN通信网来进行设备之间的信息传送,而是利用广为存在的、廉价的、标 准的以太网来进行信息的传送。组建这样的测控网速度很快,理论上节点数没有限,组网成本低, 维护也容易。

② 在数据传送中,每台测控设备的地址实际有"网络通"的IP地址和CAN接口地址 两部分组成。在以太网中,CAN接口测控设备的CAN地址和数据一起作为"网络通"通信中IP包的数据进行传送。

③ 具有多主多从的高通信容量的特点;每帧有硬件CRC校验,可靠性高;通信报文 可大可小,效率很高;通信协议TCP/IP是全球统一的规范,容易连成不受地域限制的大控制网。

④ WWW（Word Wide Web）浏览器的人机界面友好易用,设备管理服务器一方面用浏览 器检测和控制以太网上不同设备,另一方面使用WWW发布方式向网络客户提供动态交互式浏览网页。很容易实现调度生产管理系统或办公自动化信息系统。

⑤ 由于通信数据包符合TCP/IP标准,可以在Internet网上穿越交换机或路由器,远程上网客户只要用WWW浏览器就可方便地查询各个智能设备状态和实时遥控各个智能设备。