嵌入式CAN-Ethernet接入網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1引言

現(xiàn)場總線 CAN-bus最早由德國 BOSCH公司提出，主要用于汽車內(nèi)部單元與控制中心之間的數(shù)據(jù)通信[1]，由于其在網(wǎng)絡(luò)開放性、通訊可靠性、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本、系統(tǒng)擴(kuò)展能力、糾錯能力等方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢，使得 CAN現(xiàn)場總線越來越受到人們的關(guān)注。而且基于開放的現(xiàn)場總線 CAN-bus技術(shù)，構(gòu)建煤礦行業(yè)的通訊網(wǎng)絡(luò)，或開發(fā)特定功能的通訊設(shè)備，都已經(jīng)不會存在技術(shù)上的門檻。CAN-bus本身也是符合本質(zhì)安全要求的，所以當(dāng) CAN-bus應(yīng)用于煤礦通訊系統(tǒng)時(shí)，也立即獲得了廣大設(shè)備用戶的認(rèn)可，成為煤礦行業(yè)中首選的設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)，通過由 CAN-bus構(gòu)建的煤礦現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，管理者和主控設(shè)備能即時(shí)了解、處理當(dāng)前的礦井情況，發(fā)覺事故隱患，避免危機(jī)的發(fā)生。同時(shí)，煤礦系統(tǒng)中工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)也日趨成熟。CAN-bus現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)互連，既能保證工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的可靠實(shí)時(shí)傳輸，又能滿足數(shù)據(jù)信息的分析、記錄、管理以及遠(yuǎn)程共享管理，推進(jìn)煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和開放性，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化煤礦的綜合自動化。而 CAN-bus和以太網(wǎng)采用的是不同的通信標(biāo)準(zhǔn)，要實(shí)現(xiàn)它們之間的互聯(lián)就要通過總線標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換設(shè)備（即網(wǎng)關(guān)）來實(shí)現(xiàn)。

本文設(shè)計(jì)開發(fā) CAN-Ethernet網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的井下 CAN總線設(shè)備與以太網(wǎng)的互連互通，從而將現(xiàn)場總線設(shè)備接入到無處不在的 Internet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)十公里以外，乃至整個地區(qū)的數(shù)據(jù)采集和管理滿足煤礦行業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化管理要求。2硬件設(shè)計(jì)

本網(wǎng)關(guān)的硬件部分主要由協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、CAN總線接口模塊和以太網(wǎng)接口模塊等部分組成。本網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)還提供了 RS232接口模塊，用來在調(diào)試過程中與 PC機(jī)進(jìn)行通信，串口作為控制臺輸入調(diào)試命令，顯示調(diào)試結(jié)果。內(nèi)置工業(yè)級電源系統(tǒng)，支持?jǐn)U展電源輸出，用于為其他設(shè)備提供電源。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊是嵌入式網(wǎng)關(guān)的核心，由嵌入式微處理器及大容量的存儲系統(tǒng)組成。微處理器采用 S3C2410A，S3C2410A是三星公司推出的基于 ARM920T內(nèi)核的 16/32位 RISC嵌入式微處理器。配置了兩片 HY57V561620并聯(lián)構(gòu)成的 32位 64MB SDRAM存儲系統(tǒng)，存放系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的用戶數(shù)據(jù)、堆棧等信息。FLASH選用一片 64M的 K9F1208U0B，它是一款 NAND flash存儲器，用來存放用戶應(yīng)用程序、嵌入式操作系統(tǒng)及現(xiàn)場總線傳輸來的數(shù)據(jù)

2.2 CAN總線接口模塊

CAN總線接口模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與 CAN總線設(shè)備的互聯(lián)。網(wǎng)關(guān)的 CAN總線接口采用的是兩片SJA1000CAN總線控制器和兩片 TJA1050高速 CAN收發(fā)器。此外，在煤礦井下環(huán)境中，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，電路中要采用光電隔離技術(shù)將嵌入式網(wǎng)關(guān)內(nèi)部電路與現(xiàn)場總線進(jìn)行電氣隔離，保護(hù)網(wǎng)關(guān)的正常準(zhǔn)確工作，因此在 CAN控制器與收發(fā)器之間使用光耦 6N137進(jìn)行隔離，在光耦前后需要采用 2個相互隔離的 DC5V電源，本系統(tǒng)選用 B0505S-1W DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外界的真正隔離，抑制干擾的串入。SJA1000與微處理器的接口是以外部存儲器的方式，數(shù)據(jù)線與地址線共用，基地址由 SJA1000的片選信號 CS決定,本設(shè)計(jì)中其地址定義在 BANK5中，因此使用此基地址加上 SJA1000內(nèi)部寄存器地址的偏移量就可以訪問 SJA1000內(nèi)部 RAM空間;SJA1000的模式輸入引腳（MODE）接正 5V電源，使其在 intel模式下工作；將 SJA1000的中斷輸出 INT引腳分別接 S3C2410A的 INT16和 17，使得數(shù)據(jù)接收采用了中斷方式。

2.3以太網(wǎng)接口模塊

自適應(yīng)以太網(wǎng)接口模塊提供了網(wǎng)關(guān)接入以太網(wǎng)的接口。以太網(wǎng)控制器采用DM9000，它具有高度的集成性，具有獨(dú)特的 Packetpage結(jié)構(gòu)可自動適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通信量模式的改變和現(xiàn)有系統(tǒng)資源，使網(wǎng)關(guān)以 10Mb/s或 100Mb/s的速率接入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。DM9000與 CPU按照16位方式連接，以太網(wǎng)控制芯片復(fù)位后默認(rèn)工作方式為 I/O連接。

3軟件設(shè)計(jì)

本網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)采用了基于消息隊(duì)列的多線程以及多進(jìn)程的方式，實(shí)現(xiàn)了CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)和以太網(wǎng)通信的同步；以太網(wǎng)通信程序采用流行的 socket套接字編程，傳輸層協(xié)議選擇UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）。要實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信，可以通過管道、信號量、消息隊(duì)列及共享內(nèi)存區(qū)等多種方式，在不同的系統(tǒng)中使用時(shí)各有優(yōu)點(diǎn)，文獻(xiàn)[2]中提出，經(jīng)測試，對于小消息（100字節(jié)左右），在除了darwin6.6以外的所有系統(tǒng)中，system Ⅴ消息隊(duì)列性能最好。而網(wǎng)關(guān)中每次收發(fā)的數(shù)據(jù)也在 100個字節(jié)以內(nèi)。所以本設(shè)計(jì)中使用system Ⅴ消息隊(duì)列在進(jìn)程間傳送數(shù)據(jù)。

在軟件設(shè)計(jì)上可將其分為兩大部分：CAN總線設(shè)備通信程序進(jìn)程（主程序）和協(xié)議轉(zhuǎn)換及以太網(wǎng)通信程序進(jìn)程（server）。

3.1 CAN總線設(shè)備通信程序

主程序中，初始化包括模式寄存器MOD、命令寄存器CMR、狀態(tài)寄存器SR、總線定時(shí)寄

存器BTR0，BTR1、驗(yàn)收代碼寄存器ACR、驗(yàn)收屏蔽寄存器 AMR和輸出控制寄存器 OCR等的設(shè)置。下面將創(chuàng)建 3個線程，CAN數(shù)據(jù)接收線程(CAN.receive)、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送線程（CAN.send）和調(diào)用 server進(jìn)程的線程。這就保證了兩個 CAN口能分別同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù),網(wǎng)關(guān)同時(shí)也能與上位機(jī)軟件通信。

CAN.receive線程 ： for(;;) {if CAN0口有數(shù)據(jù)

break;} read(ca,rcvbuf,0);//從底層現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中接受各種智能設(shè)備采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或報(bào)警信息，將其存入緩沖區(qū)，然后將 rcvbuf中數(shù)據(jù)放入 msg0.buffer

msgsend(msgid,&msg0,sizeof(struct msgtype0),0);//將數(shù)據(jù)發(fā)送到消息隊(duì)列 0中。這里發(fā)送到消息隊(duì)列上的數(shù)據(jù)包括 CAN報(bào)文的 ID識別碼，RTR幀等信息，即不解析收到的CAN數(shù)據(jù)包內(nèi)容，直接將其發(fā)送到消息隊(duì)列 0

CAN.send線程： msgrecv(msgid,&msg1,sizeof(struct msgtype1),2,0)；//從消息隊(duì)列1中讀取數(shù)據(jù) 添加本地 CAN地址，寫入發(fā)送緩沖區(qū)sendbuf； write(ca,sendbuf,1)；//將從緩沖區(qū)中讀取的數(shù)據(jù)通過 CAN1口發(fā)送到目的CAN節(jié)點(diǎn)當(dāng)然,也可以只用一個 CAN口實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)收發(fā),但這時(shí)要注意防止 CAN口的收發(fā)沖突,

這就要加入互斥鎖[3]。 CAN總線設(shè)備通信程序主要流程如圖 2所示。