摘 要：為了解決CAN與以太網(wǎng)兩種不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換，本文介紹了CAN現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計方法，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換，并給出相應(yīng)的硬件和軟件原理。 關(guān)鍵詞：CAN總線; 以太網(wǎng);TCP/IP協(xié)議 0 應(yīng)用背景： 　　在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成系統(tǒng)中，車間內(nèi)部一般采用現(xiàn)場總線，而上層生產(chǎn)管理層采用以太網(wǎng)，兩者采用工控機連接。現(xiàn)場總線通過PCI板卡連接到工控機，然后由工控機通過網(wǎng)卡連接到企業(yè)的管理層。這種連接方式成本高，開發(fā)周期長。針對這些情況，本文提出了一種基于微處理器的嵌入式CAN-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互連系統(tǒng)的設(shè)計方案，成功地實現(xiàn)以太網(wǎng)和CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的直接數(shù)據(jù)傳輸。 1 硬件設(shè)計： 　　硬件的實現(xiàn)方案有多種，對于TCP/IP協(xié)議，可以用軟件來實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，也可以直接利用集成TCP/IP協(xié)議棧芯片，如W3100A。對于CAN協(xié)議，可以使用集成有CAN協(xié)議的微處理器如PIC18f258，也可以使用單獨的協(xié)議芯片如SJA1000。本文采用的是微處理器P89C51RD2，外加CAN控制器SJA1000、CAN收發(fā)器P82c250以及網(wǎng)絡(luò)芯片RTL8019AS，組成協(xié)議網(wǎng)關(guān)。 　　CAN網(wǎng)絡(luò)采用SJA1000獨立控制器，它是PHLIPS公司的PCA82C200控制器的替代產(chǎn)品。 　　以太網(wǎng)協(xié)議芯片采用臺灣的Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS，它是以太網(wǎng)控制器芯片，集成了介質(zhì)訪問控制子層（MAC）和物理層的性能，可以方便地設(shè)計基于ISA總線的系統(tǒng)，簡單的與通用單片機進行接口。另外，它還具有與NE2000兼容、軟件移植性好，以及低價格廉等優(yōu)點 。它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(yīng)讀寫即可完成對以太網(wǎng)的操作。電路中擴展一片62256,用于存儲中轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，擴展x5045,用于芯片復(fù)位及存儲網(wǎng)絡(luò)地址，CAN節(jié)點地址等信息。這里僅給出RTL8019AS的硬件連線圖。 2 軟件設(shè)計： 　　軟件設(shè)計分為CAN網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計和TCP/IP的軟件設(shè)計，以及CAN到以太網(wǎng)通訊的程序設(shè)計。 　　2.1 CAN協(xié)議： 　　CAN協(xié)議編程相對簡單，只需要對SJA1000相應(yīng)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)，以下是SJA1000的接收數(shù)據(jù)流程圖： 　　2.2 以太網(wǎng)的驅(qū)動編寫： 　　RTL8019的操作是比較簡單的，驅(qū)動程序只需要將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按一定的格式寫入芯片并啟動發(fā)送命令，RTL8019會自動把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成物理幀格式在物理信道上傳輸。反之，8019收到物理信號后將其還原成數(shù)據(jù)，按指定格式存放在芯片RAM中以便主機程序取用。簡言之就是8019完成數(shù)據(jù)包和電信號之間的相互轉(zhuǎn)換。以太網(wǎng)協(xié)議由芯片硬件自動完成，對程序員透明。驅(qū)動程序有3種功能：芯片初始化、收包、發(fā)包。 　　RTL8019AS負責(zé)網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，為了能夠使其啟動并處于準(zhǔn)備接收或準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，必須對相應(yīng)的寄存器進行初始化，這些寄存器包括CR、DCR、 RBCR、 PSTART、 PSTOP 、ISR、IMR 、PAR0-PAR5、 MAR0-MAR7、 CURR、TCR、RCR等。 　　Void Intnet（） 　?。? 　　Reg00=0x21; //使芯片處于停止模式,這時進行寄存器設(shè)置 　　Delay_MS（10）; //延時10毫秒,確保芯片進入停止模式 　　page（0）; 　　Reg0a=0x00; //清rbcr0 　　Reg0b=0x00; //清rbcr1 　　Reg0c= 0xe0; //RCR,監(jiān)視模式,不接收數(shù)據(jù)包 　　Reg0d= 0xe2; //TCR,loop back模式 　　Reg01=0x4c; 　　Reg02=0x80; 　　Reg03=0x4c; 　　Reg04=0x40; //TPSR,發(fā)送起始頁寄存器 　　Reg07=0xff; //清除所有中斷標(biāo)志位，中斷狀態(tài)寄存器 　　Reg0f=0x00; //中斷屏蔽寄存器清0，禁止中斷 　　Reg0e=0xc8; // 數(shù)據(jù)配置寄存器，8位dma方式 　　page（1）; 　　Reg07=0x4d; 　　Reg08=0x00; 　　Reg09=0x00; 　　Reg0a=0x00; 　　Reg0b=0x00; 　　Reg0c=0x00; 　　Reg0d=0x00; 　　Reg0e=0x00; 　　Reg0f=0x00; 　　Reg00=0x22; //這時讓芯片開始工作 　　SetMacID（）; //將芯片物理地址寫入到MAR寄存器 　　page（0）; 　　Reg0c=0xcc; //將芯片設(shè)置成正常模式,跟外部網(wǎng)絡(luò)連接 　　Reg0d=0xe0; 　　Reg00=0x22; //啟動芯片開始工作 　　Reg07=0xff; //清除所有中斷標(biāo)志位 　?。? 　　發(fā)送數(shù)據(jù)程序,先將數(shù)據(jù)按照一定的格式，放入ram中，設(shè)定發(fā)送數(shù)據(jù)的起始頁地址和發(fā)送的長度，然后填寫發(fā)送命令，芯片會自動的將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為物理幀格式在物理信道上傳輸。同時發(fā)送的結(jié)果會寫入狀態(tài)寄存器，可以通過查詢該寄存器判斷數(shù)據(jù)是否成功發(fā)送出去，以便進行后續(xù)處理。主程序通過查詢或是接收中斷的方式得知有新的數(shù)據(jù)到來,數(shù)據(jù)接收到之后，會放到有pstart和pstop兩個寄存器所限定的循環(huán)列隊中。 　　2.3 TCP/IP協(xié)議： 　　TCP/IP是一個分層的協(xié)議，每一層實現(xiàn)一個明確的功能，對應(yīng)一個或是幾個傳輸協(xié)議，每層相對它的下層都作為一個相對獨立的數(shù)據(jù)包來實現(xiàn)。 協(xié)議分層結(jié)構(gòu)，如圖所示： 圖3 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分用示意圖[/align] 　　圖是按照TCP/IP協(xié)議的四層參考模型而設(shè)計的，實際上也是以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)的流程，同時也體現(xiàn)了一種以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分用的思想。 　　主機收到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀后，就開始從協(xié)議中由數(shù)據(jù)鏈路層向上升，同時會被剝離其中各層協(xié)議所加的首部,最后只留下用戶數(shù)據(jù)，這部分工作由用戶程序來完成。Rtl8019AS僅負責(zé)把數(shù)據(jù)接收進其內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。 　　在編程的時候，使用如下的程序框架 　　if（以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報到達） 　?。?if（ 以太網(wǎng)首部幀類型==0x0806 ） 　　｛ ARP處理程序 ｝ 　　if（ 以太網(wǎng)首部幀類型==0x0805 ） 　?。?RARP處理程序 ｝ 　　if（ 以太網(wǎng)首部幀類型==0x0800 ） 　　｛ 根據(jù)IP包的協(xié)議類型分別區(qū)分是TCP包還是UDP包｝ 　?。? 　　發(fā)送數(shù)據(jù)時要對數(shù)據(jù)進行逐層封裝，即加上相應(yīng)的首部，作為所經(jīng)過每層的標(biāo)識。具體原理是將用戶數(shù)據(jù)加上本層的標(biāo)志，然后發(fā)往協(xié)議的下一層，然后加上下一層的協(xié)議標(biāo)志，繼續(xù)向下傳，這樣依次向下傳，到最后可以得到所傳送的真正數(shù)據(jù)。 　　根據(jù)以上的介紹，在接收的過程中體現(xiàn)數(shù)據(jù)分用的思想，自以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送的過程中體現(xiàn)數(shù)據(jù)封裝的思想。 　　2.4 CAN與以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換： 　　數(shù)據(jù)交換原理簡單說就是對以太網(wǎng)收到的數(shù)據(jù)進行分層。取出TCP中的數(shù)據(jù)，校驗分析，然后按照CAN模式進行發(fā)送。反過來，當(dāng)接收到CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)后，除去地址和個數(shù)等信息，將其余數(shù)據(jù)按照TCP/IP協(xié)議進行封裝發(fā)送。進入由CAN接收數(shù)據(jù)引起外部中斷后，將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，并根據(jù)自己定義的協(xié)議判斷是否是最后一幀，如果不是，則保存數(shù)據(jù)，退出中斷，否則，關(guān)閉其他中斷，調(diào)用以太網(wǎng)發(fā)送子程序，將數(shù)據(jù)發(fā)向以太網(wǎng)。進入由以太網(wǎng)引起得中斷后，取出其中TCP中的有效數(shù)據(jù)，并分析，如果需要發(fā)送，關(guān)閉其他的中斷，將數(shù)據(jù)打包，調(diào)用CAN發(fā)送子程序。同時也可以通過命令，重新設(shè)置該模塊的IP地址，或是該模塊CAN節(jié)點號等。 3 結(jié)論： 　　由于CAN總線每次只能傳輸8個有效地字節(jié)，為了有效的和以太網(wǎng)通訊，我們在CAN網(wǎng)絡(luò)使用了自己定義的協(xié)議。同時，為了實現(xiàn)設(shè)定IP或是更改節(jié)點號等功能，我們在基于TCP協(xié)議的應(yīng)用層，也定義了自己的協(xié)議。通過該模塊實現(xiàn)了CAN與以太網(wǎng)的基本的數(shù)據(jù)交換。經(jīng)過測試，取得的良好的效果。隨著分布式測控系統(tǒng)的優(yōu)勢凸現(xiàn)，CAN/TCP嵌入式網(wǎng)關(guān)在實際中的應(yīng)用也會越來越廣泛。 參考文獻： 　　[1] 基于嵌入式web服務(wù)器的UPS監(jiān)測系統(tǒng) 微計算機信息 2005年13期 　　[2]RTL8019AS datasheet , http://www.realtek.com.cn