CAN总线与以太网系统互连中网关的设计与实现

1 引言

科技和社会的发展，使20世纪末的全球化市场竞争空前激烈。竞争中的企业逐渐开始实施计算机集成制造系统，采用系统集成、信息集成的观点来组织工业生产。在这个系统中，为实现现场智能设备之间的多点数字通信，计算机测控技术与计算机网络紧密地结合在一起，产生了能在工业现场环境运行、性能可靠、造价低廉的现场总线(FieldBus)技术。

现场总线是用于生产制造现场的最底层通信网络，它实现了微机化的现场测量控制仪器或设备之间的双向串行多节点数字通信。现场总线技术的关键是使自动控制系统与现场设备具备通信能力，将它们连接成网络系统，实现现场通信网络与控制系统的集成。作为网络系统，它具有开放统一的通信协议。

CAN总线就是现场总线技术在工业应用中形成的一个成熟技术标准。它的协议建立在ISO/OSI模型基础之上，但只采用了该模型底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。在大型企业自动化系统中，上层企业管理层和生产监控层一般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。针对这种情况，我们设计一种单独的CAN以太网网关互连系统，成功地实现以太网和现有CAN总线网的直接数据互联。

2 系统总体设计

CAN总线是一个设备互连总线型控制网络。在CAN总线上可以挂接多达110个设备节点，各设备间可以自主相互通信，实现复杂网络控制系统。但设备信息层无法直接到达信息管理层，要想设备信息进入信息管理层就要通过一种数据网关。

这里我们设计了一个SX52网关用于CAN总线与以太网的互连。系统总体分为三部分：现场测控网络（CAN网络）、嵌入式透明SX52网关、以太网信息管理终端（如监控平台和网络数据库等）。以太网信息管理终端与CAN总线上的CAN节点通过ETHERNET，SX52网关，CANBUS相互通信，其中SX52网关起到核心的异构网络的互连作用。

协议转换是异构网络互连的技术关键和难点，协议转换一般可采用分层转换的方法，自低向上逐层进行。目前互连大都是在网际层或网络层展开的，因而必须对互连层以下各层协议逐层向上转换，这种转换方法的依据是协议分层的基本原理：即低层支持高层，高层调用低层，低层断开连接后，高层连接也随之断开，但高层断开连接却不会影响低层。从网络的分层结构上来看，我们设计的互连系统具有如图一所示的分层结构。以太网上运行TCP/IP协议，它具有应用层、传输层、网络层、以太网数据链路层和物理层；CAN总线具有应用层、数据链路层和物理层，其中应用层由用户自己定义，数据链路层和物理层由CAN协议所定义；SX52数据网关具有物理层、数据链路层和应用层，其应用层也就是ETHERNET与CAN的信息数据交换层，SX52微控制器在此层相互解释并转发这两种不同协议的数据。

在本设计中，SX52网关被设计成了一个透明数据网关，也就是在以太网应用层构建和解析完整的CAN协议数据包，CAN协议数据包作为TCP/IP网络应用层的数据进行传输，它对通信数据的具体实际意义不做任何解释。之所以把数据网关设计成透明式，是基于以下三个方面的考虑：1）透明式网关设计相对不透明网关来说较简单，在硬件上无须扩展大容量的数据存储器用于缓存通信数据；软件上也不用考虑数据的聚集和分发处理，降低了程序设计的复杂度、提高了通信的速度和实时性。2）透明式网关的适应性强，它可以应用于不同的项目要求，而不透明网关则要根据不同要求对网关程序作出不同的修改。3）因为协议转换设计简单，没有较多复杂处理，从而提高了通信的可靠性。

CAN总线网络的最大通信速率为1Mpbs，而以太网现在一般为10Mbps。这里就需考虑两者之间的速度匹配问题，这里可以从两个方面解决这个问题：一是在网关上使用较大的RAM，用来作为通信数据缓冲器，提高网路传输的效率。二是限制以太网向CAN总线传输的数据量，使它小于CAN总线的通信速率。

3 CAN协议分析

CAN是遵从OSI模型，按照OSI基准模型，CAN结构划分为两层：数据链路层和物理层。按照IEEE802.2和802.3标准，数据链路层又划分为：

逻辑链路控制（LLC）

媒体访问控制（MAC）

物理层又划分为：

物理信令（PLS）

物理媒体附属装置（PMA）

媒体相关接口（MDI）

MAC子层运行借助称之为“故障界定实体(FCE)”的管理实体进行监控。故障界定是使判别短暂干扰和永久性故障成为可能的一种自检机制。物理层可借助检测和管理物理媒体故障实体进行监控（例如总