CAN与以太网数据交换的研究与分析

1 技术背景

CAN（Controller Area Network——控制器局域网）是一种由带CAN控制器组成高性能串行数据局域通信网络，是国际上应用最广泛的现场总线之一。它最早由德国Bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范已被ISO估计标准组织制定为国际标准。由于其具有多主机、传输距离远（最远为 10km）、传输速度快（最快为1Mbps）、抗干扰能力强等诸多优点，所以被认为是最有发展前途的现场总线之一。

CAN协议是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的。1991年9月，Philips Semiconductors制定并发布的CAN技术规范Version2.0为现行最高版本。其中规定了两种模式：标准模式和扩展模式。本文主要对标准模式进行介绍。

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol——传输控制协议/网络协议）是一个工业标准的协议集，包括IP、TCP、UDP等子协议，保证数据在网络上的正确传输。TCP/IP协议是现代因特网的基础。

TCP/IP协议为四层模型：应用层、传输层、网络层和数据链路层。每层都有不同的功能，而且层和层之间在逻辑上是相互独立的。每层都对应一些子协议，如图1所示。本文用到的协议包括ARP、IP和TCP等。



2 应用背景

CAN总线在很多行业被广泛应用。由其组成的局域网可以将很多底层测控设备连接起来，最远距离可达10km(在不接中继器的条件下)。相对其它现场总线，该距离已经是很远了。但随着以太网的发展，人们希望对底层设备也能进行真正意义上的远程控制。工控机加接口卡已经被用来实现这一目的，但价格和接口卡带来的瓶颈等问题也随之暴露出来。本文是以单片机、CAN器件和网络芯片为核心的模块来完成该功能进行叙述的。这种方案降低了成本，避免了瓶颈。

3 硬件部分

硬件的实现方案有多种，可以采用集成TCP/IP协议的单片机外加CAN收发器和控制器；也可采用集成CAN控制器的单片机外加CAN收发器和网络芯片。本文的实例采用不带任何集成的单片机Philips P89C668，外加CAN控制器SJA1000、CAN收发器TJA1050以及网络芯片RTL8019AS，组成一个转换模块，功能模块如图2所示。



P89C668：微控制器，主要的控制部分，实现对网络芯片以及CAN器件的控制，并进行两者之间的协议转换。
SJA1000：CAN控制器，两种工作模式（BasicCAN和PeliCAN）。BasicCAN仅支持标准模式，PeliCAN支持 CAN2.0B的标准模式和扩展模式（本文仅介绍BasicCAN模式）。支持错误分析功能，对CAN收发器进行控制，为微控制器提供了控制CAN总线的简单接口。
TJA1050：CAN收发器，微控制器对CAN控制器进行相应配置后，收发器自动过完成相应的CAN总线动作。
RTL8019：网络芯片，提供给微控制器控制以太网的简单接口，使微控制器只需要对其进行相应读写即可完成对以太网的操作。
实验中另外用到一个CAN模块作为一个CAN节点，和转换模块一起组成一个简单的CAN网。

4 软件部分

4.1 CAN编程

BasicCAN模式中的CAN编程相对简单，只需要对SJA1000相应的寄存器进行读写操作即可。在该模式下，报文识别码为11位，在经过验收滤波器的筛选后，符合条件的报文才能被接收，并存入SJA1000接收缓冲区。识别码值越小，优先级越高。如果总线上出现报文冲突，优先级高的报文选占据总线。CAN节点间每次最多传送的数据为10个字节。发送缓冲区寄存器的描述如表1所列，它与接收缓冲区寄存器结构大体相同，只是地址不同。

表 1 发送缓冲区寄存器

名  称	位7	位6	位5	位4	位3	位2	位1	位0
识别码字节1	ID.10	ID.9	ID.8	ID.7	ID.6	ID.5	ID.4	ID.3
识别码字节2	ID.2	ID.1	ID.0	RTR	DLC.3	DLC.2	DLC.1	DLC.0
TX数据1～8	发送数据字节1～8

本实验中用到P89C668的外部中断1。该中断由SJA1000引发，设置为当SJA1000收到来自另一节点的数据时，向P89C668发出中断信号。在中断处理程序中，P89C668读取并保存SJA1000中断寄存器的值，作为在相应程序中进行处理的依据。

4.2 TCP/IP协议

由于TCP/IP协议很复杂，涉及的内容很多。下面仅就几点作简要介绍。

（1）封装和分层的概念
发送数据时要对数据进行逐层封装，既加上相应的首部，作为所经过每层的标识。具体原理如图3所示。



接收到的数据是按一定结构封装好的，我们要根据前面的首部信息，判断数据应交付给下面哪一层，并将相应首部信息去除，这样依次向下传，到最后可以得到所传送的真正数据。具体原理如图4所示。



（2）以太网驱动程序
以太网驱动程序是提供链路层物理接口与网络层交互的软件接口。网络层数据必须先交付给以太网驱动程序，由它将网络层数据打包交付给物理接口，完成数据发送。反之，以太网驱动程序在接收到数据时，要按照应用层可以接收的形式进行处理并交付给网络层。

（3）ARP协议
即地址解析协议，提供逻辑地址到物理地址的动态映射。发送站必须知道接收站的物理地址才能对数据进行封装，才能在以太网中进行传输，因此只知道接收站的逻辑地址是不够的，必须事先通过ARP协议得到接收站的物理地址。

（4）IP协议
即网络协议，提供一种不可靠的、无连接的服务，完成的功能有将运输层待发送数据封装成IP数据报，调用以太网驱动程序发送数据，从数据链路层接收数据，以及数据校验等。

（5）TCP协议
即传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的运输协议。UDP协议实现相同功能，但它只把数据报分组从一台主机发送到另一台主机，不保证可靠性。本文主要使用TCP协议进行数据交换，而没有采用UDP协议。实验中用到P89C668的定时器0中断，10ms中断一次，主要为了进行ARP老化处理，设置TCP超时标志。

4.3 CAN与以太网的数据交换

数据交换原理简单说就是对从以太网中收到的数据进行分层。如果是TCP数据报，取出真正的数据，并将其存入一个开辟的数据区，对数据进行相应分析后，按照BasicCAN模式进行发送。反过来，将接收到的CAN数据存入另一数据区，除去地址和个数信息，将其余数据按照TCP/IP协议进行封装发送。具体流程图如图5所示。



由CAN接收引起外部中断后，保存SJA1000中断寄存器和状态寄存器的值，在CAN处理子程序中根据其值进行处理。当上到来自另一节点的数据，则将该数据存入相应缓冲区，并置位一标志位，在主程序中的TCP超时处理子程序中判断该标志位，如果为高则将该缓冲区中的数据拷贝到以太网发送缓部眍中，并将数据封装发送。当P89C668接收到来自以太网的TCP数据报，同样将一标志位置1，在CAN处理子程序（见图6）中，根据该标志位判断是否有数据要发送给另一节点。



在具体调试时，使一个CAN节点每隔一段时间向转换模块发送一些数据。该节点接收后，通过以太网转发给上位机，上位机通过超级终端显示接收的数据。同样，可以通过超级终端发送一些键入的数据，经过转换模块传给另一个CAN节点，从而改变它的一些内部数据。