CAN與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的研究與分析

摘要：主要介紹將CAN現(xiàn)場總線以協(xié)議中的標準模式接入以太網(wǎng)的方法，實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進行簡單交換；給出相應的硬件和軟件原理以及重點難點說明。

1 技術(shù)背景

CAN（Controller Area Network——控制器局域網(wǎng)）是一種由帶CAN控制器組成高性能串行數(shù)據(jù)局域通信網(wǎng)絡(luò)，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。它最早由德國Bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范已被ISO估計標準組織制定為國際標準。由于其具有多主機、傳輸距離遠（最遠為10km）、傳輸速度快（最快為1Mbps）、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點，所以被認為是最有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一。

CAN協(xié)議是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的。1991年9月，Philips Semiconductors制定并發(fā)布的CAN技術(shù)規(guī)范Version2.0為現(xiàn)行最高版本。其中規(guī)定了兩種模式：標準模式和擴展模式。本文主要對標準模式進行介紹。

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol——傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）是一個工業(yè)標準的協(xié)議集，包括IP、TCP、UDP等子協(xié)議，保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的正確傳輸。TCP/IP協(xié)議是現(xiàn)代因特網(wǎng)的基礎(chǔ)。

TCP/IP協(xié)議為四層模型：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層。每層都有不同的功能，而且層和層之間在邏輯上是相互獨立的。每層都對應一些子協(xié)議，如圖1所示。本文用到的協(xié)議包括ARP、IP和TCP等。

2 應用背景

CAN總線在很多行業(yè)被廣泛應用。由其組成的局域網(wǎng)可以將很多底層測控設(shè)備連接起來，最遠距離可達10km(在不接中繼器的條件下)。相對其它現(xiàn)場總線，該距離已經(jīng)是很遠了。但隨著以太網(wǎng)的發(fā)展，人們希望對底層設(shè)備也能進行真正意義上的遠程控制。工控機加接口卡已經(jīng)被用來實現(xiàn)這一目的，但價格和接口卡帶來的瓶頸等問題也隨之暴露出來。本文是以單片機、CAN器件和網(wǎng)絡(luò)芯片為核心的模塊來完成該功能進行敘述的。這種方案降低了成本，避免了瓶頸。

3 硬件部分

硬件的實現(xiàn)方案有多種，可以采用集成TCP/IP協(xié)議的單片機外加CAN收發(fā)器和控制器；也可采用集成CAN控制器的單片機外加CAN收發(fā)器和網(wǎng)絡(luò)芯片。本文的實例采用不帶任何集成的單片機Philips P89C668，外加CAN控制器SJA1000、CAN收發(fā)器TJA1050以及網(wǎng)絡(luò)芯片RTL8019AS，組成一個轉(zhuǎn)換模塊，功能模塊如圖2所示。

P89C668：微控制器，主要的控制部分，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)芯片以及CAN器件的控制，并進行兩者之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

SJA1000：CAN控制器，兩種工作模式（BasicCAN和PeliCAN）。BasicCAN僅支持標準模式，PeliCAN支持CAN2.0B的標準模式和擴展模式（本文僅介紹BasicCAN模式）。支持錯誤分析功能，對CAN收發(fā)器進行控制，為微控制器提供了控制CAN總線的簡單接口。

TJA1050：CAN收發(fā)器，微控制器對CAN控制器進行相應配置后，收發(fā)器自動過完成相應的CAN總線動作。

RTL8019：網(wǎng)絡(luò)芯片，提供給微控制器控制以太網(wǎng)的簡單接口，使微控制器只需要對其進行相應讀寫即可完成對以太網(wǎng)的操作。

實驗中另外用到一個CAN模塊作為一個CAN節(jié)點，和轉(zhuǎn)換模塊一起組成一個簡單的CAN網(wǎng)。

4 軟件部分

4.1 CAN編程

BasicCAN模式中的CAN編程相對簡單，只需要對SJA1000相應的寄存器進行讀寫操作即可。在該模式下，報文識別碼為11位，在經(jīng)過驗收濾波器的篩選后，符合條件的報文才能被接收，并存入SJA1000接收緩沖區(qū)。識別碼值越小，優(yōu)先級越高。如果總線上出現(xiàn)報文沖突，優(yōu)先級高的報文選占據(jù)總線。CAN節(jié)點間每次最多傳送的數(shù)據(jù)為10個字節(jié)。發(fā)送緩沖區(qū)寄存器的描述如表1所列，它與接收緩沖區(qū)寄存器結(jié)構(gòu)大體相同，只是地址不同。

表1 發(fā)送緩沖區(qū)寄存器

名 稱位7位6位5位4位3位2位1位0識別碼字節(jié)1ID.10ID.9ID.8ID.7ID.6ID.5ID.4ID.3識別碼字節(jié)2ID.2ID.1ID.0RTRDLC.3DLC.2DLC.1DLC.0TX數(shù)據(jù)1～8發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)1～8

本實驗中用到P89C668的外部中斷1。該中斷由SJA1000引發(fā)，設(shè)置為當SJA1000收到來自

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