摘要：介紹了種廉價的CAN與以太網互連的方案。該方案實現了以太網與現有CAN總線的直接連接。方便了管理監(jiān)控層(以太網)與生產測控層(CAN總線)之間的信息交流。詳細介紹了硬件設計原理，給出了軟件設計步驟和主要流程圖。 關鍵詞：CAN總線 以太網 RTL8019AS芯片 單片機 TCP/IP協(xié)議 隨著互聯網中硬件的迅猛發(fā)展，網絡用戶呈指數增長。在使用計算機進行網絡互聯的同時，各種家電設備、儀器儀表以及工業(yè)生產中的數據采集與控制設備也逐步地走向網絡化，以便共享網絡中龐大的信息資源。 本設計是以全電子化鐵路車站控制系統(tǒng)為背景，任務是實現鐵路車站執(zhí)行機與遠程監(jiān)測機之間的信息交換。其中，執(zhí)行機包括各個執(zhí)行單元，采用CAN總線接口。監(jiān)測機為遠程的PC控制機，采用以太網接口。本設計指在實現CAN通信鏈路和以太網通信鏈路的透明連接，最終形成通用的CAN總線以太網網關。 CAN總線與以太網通信，通常采用兩種方案，一種是采用工控機加網卡來實現。這種連接方式成本高，開發(fā)周期長。另一種是采用32位MCU+RTOS的方案，這種方案采用32位高檔單片機，在RTOS(實時多任務操作系統(tǒng))的平臺上進行軟件開發(fā)，在嵌入式系統(tǒng)中實現TCP/IP的協(xié)議處理。它的缺點是：單片機價格較高，開發(fā)周期較長，需要購買昂貴的RTOS開發(fā)軟件，對開發(fā)人員的開發(fā)能力要求較高。鑒于上述方案的優(yōu)缺點，筆者設計一種單獨的以太網網關互連系統(tǒng)，成功地實現了以太網與CAN總線的直接互聯。 圖1 1 硬件設計 系統(tǒng)電路原理如圖1所示。本系統(tǒng)以單片機為界，為了兩部分：CAN總線控制部分和以太網控制部分。系統(tǒng)提供RJ45接口連接Ethernet網絡，并且提供一個CAN總線接口供用戶使用。系統(tǒng)可以把從Ethernet上過來的IP數據報解包送給CAN總線接口，也可把從CAN總線接口過來的數據封裝為IP 包送到局域網中。 1.1 單片機及其外部存儲器 單片機W78E58B為主要控制部分，實現對網絡芯片和CAN控制器的控制。在微處理器內嵌入TCP/IP協(xié)議和CAN協(xié)議，完成兩者之間的協(xié)議轉換，實現CAN接口和以太網接口之間數據的透明傳輸。 62256是32K的外部RAM，用來緩存以太網數據包和CAN總線傳來的數據，使用它的目的是提高單片機的數據傳輸速度和處理復雜的TCP/IP協(xié)議。由于以太網最大的數據包有1514字節(jié)，而單片機W78E58B只能256字節(jié)的RAM，無法存儲這么大的數據包，只能放在外部RAM里，以使單片機能夠高速地吞吐數據。P2.7為低電平時，62256被選通，因此其尋址范圍為0000H～7FFFH。 單片機W78E58B內部有32K的EEPROM，可用來存儲一些配置信息，如網關IP地址、MAC地址、SJA1000的ID網絡標識符、網絡掩碼和總線定時(BTR0、BTR1)等。這樣可以靈活方便地修改網關參數，適應不同的環(huán)境，同時也有利于以后的擴展。 1.2 以太網控制部分 RTL8019AS是臺灣Realtek公司制造的一種高集成度的全雙工10M/S以太網控制芯片，可實現基于Ethernet協(xié)議的MAC層的全部功能，內置16KB的SRAM、雙DMA通道和FIFO，可完成數據包的接收和發(fā)送功能。 在該設計中，RTL8019AS使用跳線模式(JP置為高)，數據線使用八位模式(IOCS16B用27kΩ電阻下拉接地)，RTL8019AS的低五位地址線SA0～SA4對應接到單片機的P2.0～P2.4,SA6和SA9接VCC，其它地址線全部接地。當P2.6和P2.7同時為高電平時 RTL8019AS的片選信號AEN使能。RTL8019AS的I/O地址需要映射為單片機的I/O地址，這樣單片機才能操作RTL8019AS。根據電路設計，該系統(tǒng)中單片機的I/O地址與RTL8019AS的I/O地址之間的映射關系為：0XC000H～240H，0XC100H～241H…)XDF00H～25FH，共32個字節(jié)。RTL8019AS除與單片機連接外，還將其網絡收發(fā)器的四根引腳HD、LD、TRIN+、TPIN-通過外部的隔離濾波器LPF與以太網相連，目的是提高網絡通信的抗干擾能力。 1.3 CAN總線控制部分 SJA1000為CAN總線控制器，具有多主結構、總線訪問優(yōu)先權、廣播報文功能及硬件濾波功能，具有簡單總線連接的SJA1000可完成物理層和數據鏈路層的所有功能。它具有兩種工作模式BasicCAN和PeliCAN。BasicCAN僅支持標準模式(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，為微控制器提供控制CAN總線的簡單接口。單片機對SAJ1000的讀寫就像讀寫自己的外部RAM一樣。P2.7取反后作為其片選信號線。因此，SJA1000對應地址為8000H～807FH。SJA1000的/INT引腳接單片機的INT1引腳，使單片機能夠實時響應 CAN的中斷請求。

TJA1050為CAN收發(fā)器，是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，可以對CAN總線提供差動發(fā)送和接收能力。微控制器對CAN控制器進行相應配置后，收發(fā)器自動完成相應的CAN總線動作。有較強的抗干擾能力，最多節(jié)點數可達110個。 采用高速光耦6N137實現SJA1000與TJA1050之間的電氣隔離，保護控制系統(tǒng)電路，以滿足在最高速率1M/s下的電氣響應。 2 軟件設計 整個系統(tǒng)的軟件分為兩部分：CAN控制器協(xié)議轉換模塊和以太網控制器協(xié)議轉換模塊。其程序結構如圖2所示。 當以太網應用層有數據要發(fā)送到CAN節(jié)點時，首先由以太網控制器協(xié)議轉換模塊從傳輸層數據報文中解析出完整的CAN協(xié)議數據包，存放在數據緩沖區(qū)A中，再通知總調度模塊，由它調用CAN控制器協(xié)議模塊將CAN協(xié)議數據包發(fā)送到CAN總線上。反過來，當CAN設備有數據要發(fā)送到用戶層時，先由CAN控制器協(xié)議轉換模塊將完整的CAN協(xié)議數據包存放在數據緩沖區(qū)B中，再通知總調度模塊，由它調用以太網控制器協(xié)議轉換模塊，將完整的CAN協(xié)議數據包作為應用層數據封裝起來，再發(fā)送到以太網的應用。 2.1 CAN控制器協(xié)議轉換模塊 CAN通信協(xié)議有四種不同的幀格式，本系統(tǒng)中使用標準幀格式，其格式如表1所示。CAN首先接收仲裁域，根據仲裁域的內容判斷所接收的信號是哪種幀格式，然后用戶將相應的數據寫入數據域中進行發(fā)送，或從數據域中讀取接收到的數據。 表1 幀傳送格式 幀起始仲裁域控制域數據域 CRC域應答域幀結尾 SOF ID RTR IDE RO DLC DATA CRC ACK END CAN控制器協(xié)議轉換模塊主要由SJA1000的寄存器讀程序CANRead()、寫程序、CANWrite()、初始化程序CANInit()、發(fā)送程序Txdsub()和接收程序Rxdsub()組成。 選用CAN2.0A協(xié)議構建CAN總線控制網絡，對SJA1000的初始化主要包括對控制寄存器CR、驗收代碼寄存器ACR、驗收屏蔽寄存器AMR、總線定時寄存器BTR0/1和輸出控制寄存器OCR的設置。初始化完成后，由總調度模塊監(jiān)控SJA1000控制器。當CAN總線上有數據到達時，通過中斷方式調用接收子程序Rxdsub()，把這一幀數據存入數據緩沖區(qū)B中，然后翻譯接收緩沖器。同樣，當有按CAN2.0A協(xié)議格式組合成的一幀數據報文在數據緩沖區(qū)A中要發(fā)送到CAN總線上去時，總調度模塊調用CAN發(fā)送子程序Txdsub()發(fā)送。 2.2 以太網控制器協(xié)議轉換模塊 一個標準的以太網物理傳輸幀如表2所示(單位：字節(jié))。 表2 以太網的物理傳輸幀結構表 同步位分隔位目的地址源地址類型字段數據段幀校驗序列 PR SD DA SA TYPE DATA FCS 7 1 6 6 2 46～1500 4 除數據段的長度不定外，其它部分的長度都固定不變。以太網規(guī)定整個傳輸包的最大長度不能超過1514字節(jié)(14字節(jié)為DA、SA、TYPE)，最小大能小于60字節(jié)。除去DS、SA、TYPE14字節(jié)外，還必須傳輸46字節(jié)的數據，當數據段的數據不足46字節(jié)時需填充，填充字符的個數不包括在長度字段里;超過1500個字節(jié)時，需拆成多個幀傳送。 以太網控制器協(xié)議轉換模塊主要負責從UDP數據包中解析出完整的CAN協(xié)議報文，存入數據緩沖區(qū)A中。同時，也可以將數據緩沖區(qū)B中的完整CAN協(xié)議報文封裝成UDP數據報，然后將其發(fā)送到以太網上。 主程序工作流程圖如圖3所示，單片機首先初始化網絡設備。網卡IP地址和物理地址存于單片機的EEPROM中，單片機復位后首先讀取這些數據以初始化網卡。

網卡初始化完成以后，當有數據從RJ45過來時，單片機對數據包進行分析，如果是ARP(物理地址解析協(xié)議)數據包，則程序轉入ARP處理程序。如果是 IP(網間協(xié)議)數據包且傳輸層使用UDP(用戶數據報協(xié)議)，端口正確，則認為數據報正確，數據解包后，送入數據緩沖區(qū)A，最后把數據部分通過CAN接口輸出。反之，如果單片機從CAN接口收到數據，則將數據按照UDP協(xié)議格式打包，送入數據緩沖區(qū)B，由RTL8019AS將數據輸出到局域網中。 本系統(tǒng)在通信傳輸層來采UDP協(xié)議是考慮到CAN協(xié)議數據報為短幀形式(每個數據幀最多為8字節(jié))。如果采用TCP傳輸協(xié)議，要傳輸8個字節(jié)CAN協(xié)議數據，需先通過三次握手建立連接，再傳輸數據，之后還要通過握手釋放連接。這樣的傳輸效率對有限的網絡資源來說無疑是一種浪費。而UDP是無連接的傳輸，可以提高網絡傳輸效率，同時也可以減輕網關的處理任務壓力。UDP傳輸協(xié)議可靠性的不足之處可以采用加傳校驗機制來改善。通過實驗測試，表明這種方法是行之有效的。 本文介紹了種低成本、高可靠性、快捷的嵌入式CAN總線與以太網互連的軟硬件實現方法。該互連方案保證了管理監(jiān)控層與生產測控層之間的連接，方便了上下層信息交流，適用于現有的網絡傳輸系統(tǒng)，有著廣泛的應用前景。特別是在數據采集和數據傳輸 領域中，可以廣泛地應用于嵌入式網絡接口功能的設計中。