控制器局域網(ControllerAreaNetwork，CAN)最先由德國BOSCH公司開發(fā)，并成為一種國際標準(IS011898)。由于CAN總線具有靈活、可靠、實時、開放性好、糾錯能力強等優(yōu)點，成為目前最有前途的現(xiàn)場總線之一。但任何事物都具有兩面性，CAN總線也有不足之處，由于其收發(fā)器驅動能力有限，導致總線上可連接的最大節(jié)點數和最遠直接傳輸距離受到了限制，無法進行遠程控制，這給系統(tǒng)組網帶來了一定的制約條件。相較而言，以太網憑借著成本低、易于組網、擁有眾多應用軟硬件的支持且根據網絡需求的實際情況，不斷地進行完善和改進，并逐步發(fā)展了標準以太網(10Mbit/s)、快速以太網(100Mbit/s)千兆以太網和萬兆以太網等，成為目前應用最為廣泛的局域網絡技術。若將以太網與CAN總線互聯(lián)，可降低成本，增加系統(tǒng)的最大CAN節(jié)點數，擴大系統(tǒng)的組網范圍，還可實現(xiàn)不同傳輸速度的現(xiàn)場總線子網的相互通信，及其設備層到管理層的一體化。所以，文中提出一種以太網與CAN總線互聯(lián)的通信網關設計方案。

1硬件設計

圖1所示為本網關模塊設計與實現(xiàn)的整體方案框圖，網關模塊使用LPC2294作為主控制器，μC/OS—II操作系統(tǒng)為平臺，擴展了兩個網卡接口和CAN接口，并通過軟件設計完成CAN總線協(xié)議與以太網協(xié)議相互轉換，最終實現(xiàn)CAN網絡與以太網之間的雙冗余通信。

硬件電路可劃分為5個部分：控制電路、存儲電路、輔助電路、以太網接口電路和CAN總線接口電路。下面主要對控制電路、以太網接口電路和CAN總線接口電路進行分析。

1.1系統(tǒng)控制器

系統(tǒng)選用ARM處理器LPC2294作為控制芯片，主要是LPC2294具有超強的功能、功耗低及豐富的片上資源，更重要的是集成了4個支持CAN2.0B協(xié)議的CAN控制器，并帶有先進的驗收濾波器，提供了系統(tǒng)的集成度和復雜度，還提供了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為滿足系統(tǒng)的程序和數據存儲需要，外擴了1MB的16位Flash芯片SST39VF160，用于存儲程序代碼。其中Flash的地址線A1～A20連接至LPC2294的A1～A20，數據線ED0～ED15通過一個雙電源供電的雙向收發(fā)器連接至LPC2294的DQ0～DQ15，CE#接至LPC2294的CS0，將其分配到Bank0單元，其地址范圍0x80000000～0x80001000。OE#、OW#分別連接至LC2294的OE#和WE#。同時外接了1MB的16位SRAM存儲器IS61LV25616AL，用于堆棧和數據的存儲。其中SRAM的地址線A1～A20連接至LPC2294的A0～A19，數據線IO0～IO15通過一個雙電源供電的雙向收發(fā)器連接至LPC2294的D0～D15，CE#接至LPC2294的CS1，將其分配到Bank1單元，該地址范圍0x81000030～0x81001000。LB#、UB分別與BLS0、BLS1相連，用于控制8位或16位讀寫數據。OE#、OW#分別連接至LC2294的OE#和WE#。

1.2CAN接口電路設計

系統(tǒng)有兩個CAN接口，其中一個是主接口，另一個是冗余接口，均接入同一個CAN網絡，其目的是增加系統(tǒng)的可靠性。CAN2.0B控制器由LPC2294直接集成，無需外加獨立的CAN控制器，且LPC2294中集成了4個CAN控制器，在此系統(tǒng)中選用第1個和第2個CAN接口。CAN收發(fā)器選用了CAT8250T，主要作用是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，但與常用的CAN收發(fā)器TJA1050T不同的是該CAN收發(fā)器將CAN節(jié)點的收發(fā)與高速光耦、電源隔離集成在一個電路模塊中，且隔離電壓高達DC2500V，接口簡單、使用方便，并對CAN總線有過電壓保護作用。同時還要在CANH和CANL與地之間并聯(lián)一個120Ω的電阻，來匹配傳輸阻抗，吸收總線回波，確保有較低的電磁輻射和通信可靠性。

1.3以太網接口電路設計

系統(tǒng)由DM9000E以太網控制器，HR601860網卡變壓器，及RJ45接口，組成以太網接口電路。同樣選用了兩個網口電路，一個是主網口，另一個是冗余網口。其中，LPC2294使用16位總線方式對DM9000E進行控制，并使其工作在100MHz全雙工模式下。對兩個網口的選用，是通過LPC2294的CS3、A22引腳來控制主網口的片選信號，即這兩個引腳與74AC32的引腳1和2相連，而引腳3連接主網口的ANE引腳。同理將LPC2294的CS3、A23，經74AC32與冗余網口的ANE引腳相連。再將DM9000E的CMD引腳與LPC2294的A2連接?？蓪⒅骶W和冗余網卡芯片的數據端口地址與索引端口地址分別配置成0x8380000、0x83800004和0x83400000、0x83400004。DM9000E的物理層發(fā)送和接收端口TXO+、TXO-、RXI+、RXI-經網絡變壓器芯片HR601680接到RJ45接口。對于DM9000E的其余引腳可根據Datasheet中的說明，按要求連接即可，如圖2所示。

最終，對DM9000E芯片進行驅動。該芯片的驅動主要由3部分完成：voidInitNic()用以對芯片進行初始化，配置片內寄存器等;voidSend_P-acket(struct_pkst*TxdData)為數據發(fā)送程序，uint8Rec_Packet(uint8num)為數據接收程序，上層協(xié)議通過調用這兩個函數來發(fā)送以太網數據幀。

2軟件設計

2.1報文結構

CAN總線與以太網互聯(lián)的軟件設計主要包括從以太網中提取CAN數據和將CAN總線的數據轉換成以太網的數據。其中，CAN報文結構可分為兩種不同的幀格式，而兩種幀格式的區(qū)別在于其標識符的長度不同：標準幀中有11位標識符，擴展幀中有29位標識符。本設計中采用的是擴展幀，且在本網關模塊收到CAN板卡的報文時，需按上述以太網數據傳輸報文格式對CAN數據進行封裝及打包并通過以太網發(fā)送。在此過程中不必對CAN報文的13Byte數據進行高低位轉換和移位處理，采用透明轉換方式。便可減少數據解析及處理的時間，并提高了數據在傳輸過程中的可靠性。

如圖3所示，該網關中規(guī)定的以太網幀格式包括5部分，按照封裝的先后順序分別為：封裝的數據(如本系統(tǒng)中的CAN數據幀等)、自定義UDP首部、標準UDP/TCP首部、IP首部、以太網首部和最終校驗。本系統(tǒng)中主要采用的是UDP協(xié)議，目的是為了自定義控制字來區(qū)別不同類型的報文，包括有：CAN數據報文、時統(tǒng)報文、工作狀態(tài)請求報文、心跳報文及設備故障診斷信息報文。其中時統(tǒng)報文是在開機時或每30分鐘系統(tǒng)發(fā)送的對時請求。工作狀態(tài)報文是在各設備開機或復位并正常工作后自動發(fā)送的，還有收到詢問報文或狀態(tài)改變后發(fā)送，主要發(fā)送時戳和設備ID信息。心跳報文是在各設備開機或復位并正常工作后，每5s周期發(fā)送，作用是通知其所在的網絡，是否工作狀態(tài)正常。設備故障診斷信息報文是當接收到故障診斷請求報文或網關根據CAN板卡數據接收情況，自行檢測到網關箱內該板卡故障情況的變化，一般網關在30分鐘內未收到參數設置報文中指定的CAN板卡對應節(jié)點的數據和遠程幀等，可認定此節(jié)點故障，并發(fā)送故障信息報文。這增添了系統(tǒng)的一些管理信息，根據不同的報文類型完成系統(tǒng)不同的通信功能。自定義UDP封裝格式如圖4所示。

在自定義UDP封裝格式中，字節(jié)0～3為固定的幀頭信息，用以識別本網關模塊的數據報信息，無論是CAN報文、時統(tǒng)報文或工作狀態(tài)請求報文均使用該格式，若不符合該幀頭的數據報網關模塊不進行處理。需注意的是，第20bit開始才是真正的數據，每個信息單元均有各自的序號、標識和長度等信息。其中信元的序號表示該信元在UDP數據報中的位置;標識代表信息單元內報文的類型。

2.2程序設計

網關模塊的主要功能是以太網數據包與CAN數據幀之間的格式相互轉換，進而完成以太網和CAN網絡間通訊。本模塊使用嵌入式μC/OS—II作為操作系統(tǒng)，通過裁剪、移植使其能順利運行于LPC2294控制器。另外，在系統(tǒng)中移植了TCP/IP協(xié)議的核心功能函數，并編寫了6個任務函數，使其分工合作實現(xiàn)了模塊的各項功能，并通過μC/OS—II系統(tǒng)的任務調度管理機制來進行系統(tǒng)資源的分配。

系統(tǒng)首先建立設備初始化任務Task0，將該任務函數主要完成上電自檢，兩路CAN故障自檢，網口斷線檢測，本機IP、兩路CAN波特率及兩路網口等網關參數的初始化。在完成以上工作后，創(chuàng)建5個子任務，按優(yōu)先級由高到低依次為TaskB、TaskC、TaskF、TaskD、TaskE的5個子任務的具體功能如下：

TaskB：主要功能為接收UDP報文并解析，下發(fā)至CAN;若接收到時統(tǒng)報文，按照協(xié)議解析，并將時戳信息寫入時鐘芯片。

TaskC：主要功能為接收TCP報文，按照協(xié)議解析并下發(fā)到CAN。

TaskD：完成接收CAN1口或CAN2口的數據，根據規(guī)定的傳輸方式將數據封裝成報文格式，并發(fā)送至以太網。

TaskE：完成接收CAN1口或CAN2口的數據，并按照TCP傳輸方式，將數據封裝并發(fā)送到以太網。

TaskF：主要功能為定時發(fā)送特殊報文，如：心跳報文、時統(tǒng)報文、工作狀態(tài)請求報文及設備故障診斷信息報文等，完成網關模塊的工作狀態(tài)檢測及參數配置等功能。

5個子任務創(chuàng)建完成后，TaskB和TaskC進入阻塞狀態(tài)，等待各自的信號量RecUdpQFlag和RecTcpQ一Flag，由于這兩個任務的優(yōu)先級較高，說明網關模塊優(yōu)先轉換以太網向CAN總線方向的數據。因此，當以太網中有數據到來時根據報文的類型可得到相應的信號量，TaskB或TaskC立即進入就緒狀態(tài)等待執(zhí)行，若當前執(zhí)行的任務優(yōu)先級低于這兩個任務，TaskB和TaskC可進行搶占執(zhí)行。當網關模塊未收到以太網數據或處理完成后，任務函數TaskF檢測模塊的定時器，判斷是否需要發(fā)送工作狀態(tài)報文和心跳報文等特殊報文。執(zhí)行完成后，判斷CAN節(jié)點是否有數據，并選擇用UDP或TCP方式發(fā)送到以太網，即選擇執(zhí)行TaskD或TaskE，完成CAN向以太網方向的數據傳輸過程，在此期間允許TaskB和TaskC進行搶占執(zhí)行。系統(tǒng)通過調度這5個任務函數完成以太網數據包與CAN數據幀間的格式轉換與傳輸，該程序流程如圖5所示。

3測試

將該上位機IP地址設置為192.1.1.11，打開網關參數設置界面對一些參數進行設置，如：網關參數回復IP地址、網關參數回復端口、網關模塊IP地址、網關接收端口號和CAN數據目標IP地址等參數。隨后將CAN總線數據報文測試軟件ZLGCANTest打開，設置CAN總線的波特率為250khit·s-1，將CAN報文發(fā)出后用ZLGCAN—Test、Tcp&Udp測試工具及EtherPeekNX軟件來查看網絡的通信情況。圖6便是由ZLGCANTest軟件所得到的，從圖中可知，CAN發(fā)送數據的幀類型是擴展幀，幀格式是數據幀，幀ID為0x00000000，每個CAN協(xié)議中發(fā)送8bit的數據。而圖7是通過Tcp&Udp測試工具得到的數據，并已在圖中標出，此報文頭由Etherner協(xié)議報文頭、IP協(xié)議報頭、UDP協(xié)議報頭和自定義UDP報頭組成，并從自定義UDP報頭中的報文標識可判別出CAN報文，而后面的數據正是圖6中CAN報文中的13bit數據，即對CAN報文采用透明轉換方式，將CAN網絡數據成功發(fā)送到以太網。同樣方法可測試到以太網中數據也成功發(fā)送至CAN。網絡中其他類型的報文也同樣如此。

4結束語

文中闡述了以ARM7系列LPC2294為核心的以太網與CAN總線網絡互聯(lián)的通信網關實現(xiàn)過程，概述了本網關中采用的以太網和CAN總線的報文格式及其自定義UDP數據報文的結構。并提出了網關的軟、硬件實現(xiàn)方法。通過實驗該網關模塊實現(xiàn)了以太網與CAN總線間的數據傳遞，且具有穩(wěn)定性和較高的可靠性。