基于CAN总线与以太网的嵌入式网关设计

        提出一种工业现场总线与以太网互联方法,介绍以太网与CAN现场总线之间协议转换网关的设计与实现,采用AT89C55作为主处理器,通过两个接口芯片实现CAN总线与以太网的互连,分别给出其硬件结构和软件设计思想。为企业信息网络与控制网络集成提供一种可行的方法。
1 硬件结构
目前，对于CAN和以太网相连的嵌入式网关设计主要有两种方法：一种是低档MCU加接口芯片的设计方法，另一种是高档MCU加EOS（实时多任务操作系统）再加接口芯片的设计方法。因CAN只采用了ISO／OSI参考模型的一、二层，协议相对简单，比较适合用于低成本、速率要求不高的离散控制系统。从合理的成本和有效利用处理能力这两方面考虑，该设计采用低档MCU加接口芯片的方法，其硬件框图见图 1。


图 1 硬件原理图

1．1 主控芯片及以太网接口模块
根据要求，该系统选择了性能价格比较高的Atmel公司生产的AT89C55单片机。它是面向测控对象和嵌入式应用的，所以它的体系结构以及CPU、指令系统、外围单元电路都是按照这种要求专门设计的。它内部带高达20 KB的FLASH程序存储器，AT89C55完全兼容8051指令集，片上FLASH方便了使用者进行在线编程，工作速率最高可达33 MHz，256 B的内部RAM，32个可编程的I／O口，3个16位的定时／计数器，8个中断源，支持低功耗的空闲工作模式。以太网接口选用的是RTL8019AS芯片，它是由Realtek公司生产的一种高度集成的以太网控制器，能实现以太网媒介访问层（MAC）和物理层（PHY）的全部功能。RTL8019AS内部有两个RAM区域：一是16 KB，地址为0x4000～0x7fff，要接收和发送数据包必须通过DMA读写RTL8019AS内部的16 KB的RAM，它实际上是双端口RAM，即有两条总线与其连接，一条总线用于RTL8019AS读／写或写／读该RAM，即本地DMA；另一条总线用于单片机读或写该RAM，即远程DMA；二是32个字节，地址为0x0000～0x001F，用于存储以太网物理地址。主控芯片和以太网接口芯片的硬件接口原理图见图2。值得注意的是由于以太网的包最大可以超过1 500个字节，AT89C55的片内RAM只有256个字节，因此无法存储这么大的包，所以这里扩展了一个32 KB的外部RAM，这样同时也能提高单片机的数据传输速度。


图 2 以太网接口电路原理图

1．2 CAN接口模块
组成CAN系统的主要器件是CAN控制器和收发器。该设计中，CAN接口模块选用SJA1000芯片和PCA82C250芯片。SJA1000是一个独立的CAN控制器，它是Philips公司另一个CAN控制器PCA82C200的替代产品，且增加了一种新的工作模式（Peli CAN），这种模式支持CAN 2．0B协议。SJA1000主要完成CAN的通信协议，实现报文的装配和拆分、接收信息的过滤和校验等。
PCA82C250是CAN控制器与物理总线之间的接口，主要用于增强系统的驱动能力。采用收发器的系统中，节点数至少可以达到110个，同时还具有降低射频干扰（RFI）和很强的抗电磁干扰 （EMI）能力。在处理这部分电路时，有几个地方要特别注意：
（1）晶振电路的问题。89C55和SJA1000都应该有各自独立的晶振电路，不能够用SJA1000的时钟输出信号CLKOUT来驱动单片机。
（2）复位引脚的问题。虽然SJA1000的复位是低电平，但不能通过一个非门直接连接单片机的复位引脚。一般对解决复位引脚问题有两种方式：第一种是使用单片机的I／O引脚控制SJA的复位引脚，其好处是单片机可以完全控制SJA的复位过程；第二种是采用适当的复位芯片，为了降低成本，该设计采取的是第一种方法。
（3）RX1引脚的电位必须维持在约0．5 VCC上，否则将不能形成CAN协议所要求的逻辑电平。
（4）一定要注意电缆的终端阻抗匹配，它直接影响CAN总线是否能正常工作和网络性能。CAN接口模块的硬件电路图见图3，在PCA82C250的RS脚上接有一个斜率电阻R，可根据总线通信速度适当调整电阻的大小。


图3 CAN接口模块的硬件电路图



       
2 通信模块软件设计
2．1 SJA1000驱动程序的实现
SJA1000驱动程序是由SJA的初始化函数、发送函数、接收函数组成的，图4所示为其流程图。


图4 SJA1000驱动程序流程

（1）SJA1000的初始化。SJA1000在系统上电、硬件复位或主控制器发出复位命令后需要进行初始化，以设定它的工作模式、通信速率、输出控制方式和标识符屏蔽格式等重要参数。CAN控制器SJA1000的初始化只能在复位模式下才能完成。程序的流程图如图4所示。
首先程序检测CAN接口是否正常工作，即向SJA1000的测试寄存器写入并读出，校验其结果是否一致，如果结果一致则进入复位模式进行初始化设置。在初始化的过程中，如果对某个寄存器的设置超过规定的时间还未完成，则认为初始化失败，初始化程序自动发送错误信号。
（2）数据的发送与接收。SJA1000芯片有一个报文发送缓冲区和两个报文接收缓冲区，用于CAN报文传送。数据从CAN控制器SJA1000发送到 CAN总线首先是由CAN控制器自动完成的，发送数据程序把数据存储区中待发送的数据取出，组成信息帧，并将主机的ID地址填人帧头；然后将信息帧发送到 CAN控制器的发送缓冲区；最后启动发送命令即可。信息从CAN总线到CAN接收缓冲区也是由CAN控制器自动完成的。接收程序只需从接收缓冲区读取要接收的信息，并将其存储在数据存储区即可。
2．2 RTL8019AS驱动程序的实现
RTL8019AS的驱动程序和SJA的驱动程序一样，有3种功能：芯片初始化、收包、发包。
（1）RTL8019AS的初始化。RTL8019AS的初始化过程比较复杂，但十分重要，它决定了通信过程中的一些重要参数。如设置相关工作模式的寄存器，分配和初始化接收及发送缓冲区，初始化网卡接收地址等，其流程图见图5所示。


图5 RTL8019AS的初始化流程图

（2）数据的发送与接收。因为在RTL8019AS的初始化程序中已经完成了以太网的物理地址设置，并指定了发送缓冲区起始页面地址寄存器TPSR。此外，RTL8019AS的CRC校验自动生成器也被使能，所以RTL8019AS的数据包发送程序相对要简单。在数据包的发送过程中，AT89C55只要通过远程DMA将待发送的数据包写至RTL8019AS片内SRAM的发送缓冲区，并启动发送过程即可。

在接收数据包时，有查询和中断两种方式，鉴于AT89C55的处理能力有限，在该设计中采用查询方式，根据判断CURB==BNRY+1，可以判断是否收到新的数据包，如果有则通过DMA读操作从网卡芯片RAM读出数据。
2．3 网关协议转换流程
嵌入式网络接口实现两种网络的互连。当以太网应用层有数据要发送到CAN节点时，首先将数据发送到网关，由以太网控制器协议转换模块解析完整的CAN协议数据包，通过CAN控制器发送到CAN总线。反之，当CAN设备有数据要发送到用户层时，首先将数据发送到透明网关，由CAN控制器协议模块将完整的 CAN协议数据包存放在缓冲区，再通知主控芯片，由它调用以太网控制协议转换模块，将完整的 CAN协议数据包作为应用层数据封装起来，再发送到以太网的应用层。
3 结语
这里介绍的是一种低成本、高可靠性、快捷的CAN以太网网关的硬件、软件设计方案，通过实际应用证明，该设计可以作为CAN总线节点的一个模块，能够与仪器仪表等设备相结合，使其具有网络通信的能力，比较同类产品的设计，该设计能大大提高其性价比。