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關于LPC2378的CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關
引言
現(xiàn)場總線是應用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡[1]。現(xiàn)場總線是當今自動化技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)。CAN 總線[6]作為現(xiàn)場總線的一種，由于采用了許多新技術及獨特的設計，與一般的通信總線相比，CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性[4]。
以太網(wǎng) (Ethernet)作為構筑互連網(wǎng)的一種最普及的局域網(wǎng)技術，具有較好的技術穩(wěn)定性和傳輸數(shù)據(jù)的高效性等特點，此外，以太網(wǎng)還可以方便的與干線網(wǎng)絡連接，整個控制系統(tǒng)還能夠支持互連網(wǎng)絡的遠程訪問。因此，使用以太網(wǎng)作為工業(yè)控制的上層網(wǎng)絡有著十分明顯的優(yōu)勢[2]。
本文給出了一種基于LPC2378 的CAN 總線和以太網(wǎng)互聯(lián)的網(wǎng)關設計方案[3]，有效解決了底層現(xiàn)場總線與上層控制系統(tǒng)的互聯(lián)問題。
1 硬件設計
網(wǎng)關主要由微控器模塊，以太網(wǎng)接口模塊，CAN 接口模塊構成。微控器模塊主要實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議和CAN 協(xié)議的互相轉(zhuǎn)換，以太網(wǎng)接口模塊主要實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，CAN 接口模塊主要實現(xiàn)CAN 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
1.1 微控器選型
本設計采用 Philips 公司的LPC2378 作為主控器，LPC2378 是一款基于ARM7TDMI 內(nèi)核的32 位微處理器，工作頻率高達72MHz,內(nèi)嵌512kB 的Flash 程序存儲器，ARM 局部總線上有32kB 的SRAM，可以進行高性能的CPU 訪問，內(nèi)部集成2 路CAN 控制器和1 個以太網(wǎng)控制器，只要加上CAN 收發(fā)器和網(wǎng)絡變壓器即可組成CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關，大大簡化了電路。
1.2 以太網(wǎng)接口模塊
LPC2378 內(nèi)部集成以太網(wǎng)控制器，支持10M 或100Mbps PHY 器件，與標準802.3 完全兼容，內(nèi)部含16kB 靜態(tài)RAM，也可用作通用SRAM，帶有分散/集中式DMA 的DMA 管理器以及幀描述符數(shù)組，加上網(wǎng)絡變壓器后通過RJ45 接口與以太網(wǎng)相連。
1.3 CAN 接口模塊
LPC2378 內(nèi)部集成2 路CAN 控制器，在任何一路外面加上CAN 收發(fā)器都可以組成CAN接口電路，本設計采用CTM8251 作為CAN 收發(fā)器，其主要功能是將CAN 控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN 總線的差分電平，并具有DC 2500V 隔離功能，省略了傳統(tǒng)電路的光電隔離模塊，簡化了電路，接口速率高達1Mbit/s。
2 軟件設計
網(wǎng)關軟件設計主要包括以太網(wǎng)模塊通信，CAN 模塊通信，以太網(wǎng)協(xié)議與CAN 協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換三個部分。
2.1 以太網(wǎng)模塊通信
以太網(wǎng)模塊通信主要包括以太網(wǎng)控制器的初始化和TCP/IP 協(xié)議的嵌入兩部分，主程序通過調(diào)用以太網(wǎng)模塊通信程序驅(qū)動以太網(wǎng)控制器。
2.1.1 以太網(wǎng)控制器的初始化
以太網(wǎng)控制器的初始化主要有設置以太網(wǎng)MAC 寄存器，工作模式，定義發(fā)送緩沖區(qū)的大小，IP 地址、子網(wǎng)掩碼。
2.1.2 TCP/IP 協(xié)議的嵌入
TCP/IP 協(xié)議作為以太網(wǎng)通信協(xié)議嵌入到微處理器中[5]，其主要作用是管理以太網(wǎng)報文的發(fā)送和接收，實現(xiàn)遠程主機與網(wǎng)關的通信。
因為本網(wǎng)關主要應用于井下控制系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)的傳輸實時性要求較高，所以在傳輸層使用UDP 協(xié)議，該協(xié)議是一種無連接協(xié)議，只把從TCP/IP 應用層中的得到的消息簡單分組為數(shù)據(jù)報，所以一般UDP 的運行速度要比TCP 快40%，適合工業(yè)控制系統(tǒng)。
在網(wǎng)絡層，設計主要采用了IP 協(xié)議作為傳輸協(xié)議，IP 協(xié)議是整個TCP/IP 協(xié)議的核心，傳輸層的UDP 協(xié)議要以IP 數(shù)據(jù)報的格式進行傳輸。
另外，在網(wǎng)絡通信中，還需要用到ARP 協(xié)議，其功能是根據(jù)目標IP 地址查詢對應的MAC 地址。
2.2 CAN 模塊通信
CAN 模塊通信主要包括CAN 模塊的初始化，CAN 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，主程序通過調(diào)用CAN 模塊通信程序驅(qū)動CAN 控制器。
2.2.1 CAN 模塊的初始化
CAN 模塊的初始化包括復位CAN 控制器，配置CAN 口波特率，初始化CAN 模塊中斷，設置CAN 驗收濾波器工作方式、CAN 控制器的工作模式。
2.2.2 CAN 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收
發(fā)送程序負責將以太網(wǎng)傳輸來的UDP 數(shù)據(jù)包按照CAN 協(xié)議轉(zhuǎn)換后的CAN 報文傳輸?shù)紺AN 總線上。LPC2378 集成2 路CAN 控制器，每個CAN 控制器都有3 個發(fā)送緩沖器，發(fā)送數(shù)據(jù)時要查詢對應狀態(tài)寄存器（CAN1SR 或CAN2SR），檢查上次發(fā)送是否完成，若沒完成，則把要發(fā)送數(shù)據(jù)存入發(fā)送緩沖區(qū)，若完成，則向相應命令寄存器（CAN1CMR 或CAN2CMR）寫入發(fā)送命令，發(fā)送數(shù)據(jù)。
CAN 控制器采用中斷接收數(shù)據(jù)，若CAN 數(shù)據(jù)通過濾波器濾波，則觸發(fā)一個接收中斷，在中斷程序中將數(shù)據(jù)從接收緩沖器中存入接收緩沖區(qū)，然后通過向相應的命令寄存器（CAN1CMR 或CAN2CMR）寫入釋放接收緩沖器命令，最后通過轉(zhuǎn)換協(xié)議轉(zhuǎn)換為UDP 數(shù)據(jù)包。
2.3 以太網(wǎng)協(xié)議和 CAN 協(xié)議轉(zhuǎn)換
網(wǎng)關的核心設計即為協(xié)議轉(zhuǎn)換的設計，協(xié)議轉(zhuǎn)換的具體過程如下：
當收到的數(shù)據(jù)為CAN 數(shù)據(jù)包時，首先添加UDP 報頭，再添加IP 報頭，最后添加以太網(wǎng)幀頭，封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，存入以太網(wǎng)緩沖區(qū)，最后發(fā)送到以太網(wǎng)。過程如圖2，3 所示：
當收到的數(shù)據(jù)為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，首先判斷數(shù)據(jù)包中是否含有IP 報文，目的地址是否匹配，是否含UDP 數(shù)據(jù)報，UDP 數(shù)據(jù)報端口是否匹配，如果以上條件都滿足，則按照UDP封裝的反過程來取出數(shù)據(jù)，即依次去除IP,UDP 報頭，再將數(shù)據(jù)存入CAN 發(fā)送緩沖區(qū)，最后發(fā)送到CAN 總線。轉(zhuǎn)換流程如圖4：
3 結束語
基于 LPC2378 的CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關集成了2 路CAN 控制器和1 路以太網(wǎng)控制器，簡化了硬件設計，縮小了產(chǎn)品的體積，成本低廉，采用UDP 協(xié)議實時性高，適合煤礦井下控制系統(tǒng)應用。
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[參考文獻] (References)
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[4] 王化南. CAN 總線監(jiān)測儀表與以太網(wǎng)互聯(lián)設計[J]. 國內(nèi)外機電一體化技術,2012,(2):41-42.
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[6] 李正軍，現(xiàn)場總線及其應用技術[M].北京，機械工業(yè)出版社2006.1：100-101.
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