嵌入式CAN-Ethernet接入網(wǎng)關的設計與實現(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)絡開放性、通訊可靠性、數(shù)據(jù)傳輸實時性、系統(tǒng)設計成本、系統(tǒng)擴展能力、糾錯能力等方面具有強大的優(yōu)勢，使得 CAN現(xiàn)場總線越來越受到人們的關注。而且基于開放的現(xiàn)場總線 CAN-bus技術，構建煤礦行業(yè)的通訊網(wǎng)絡，或開發(fā)特定功能的通訊設備，都已經(jīng)不會存在技術上的門檻。CAN-bus本身也是符合本質安全要求的，所以當 CAN-bus應用于煤礦通訊系統(tǒng)時，也立即獲得了廣大設備用戶的認可，成為煤礦行業(yè)中首選的設備通信網(wǎng)絡，通過由 CAN-bus構建的煤礦現(xiàn)場設備網(wǎng)絡，管理者和主控設備能即時了解、處理當前的礦井情況，發(fā)覺事故隱患，避免危機的發(fā)生。同時，煤礦系統(tǒng)中工業(yè)以太網(wǎng)技術也日趨成熟。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)的可靠實時傳輸，又能滿足數(shù)據(jù)信息的分析、記錄、管理以及遠程共享管理，推進煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的標準化和開放性，實現(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準，要實現(xiàn)它們之間的互聯(lián)就要通過總線標準轉換設備（即網(wǎng)關）來實現(xiàn)。

本文設計開發(fā) CAN-Ethernet網(wǎng)關，實現(xiàn)了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的井下 CAN總線設備與以太網(wǎng)的互連互通，從而將現(xiàn)場總線設備接入到無處不在的 Internet網(wǎng)絡，實現(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硬件設計

本網(wǎng)關的硬件部分主要由協(xié)議轉換模塊、CAN總線接口模塊和以太網(wǎng)接口模塊等部分組成。本網(wǎng)關系統(tǒng)還提供了 RS232接口模塊，用來在調試過程中與 PC機進行通信，串口作為控制臺輸入調試命令，顯示調試結果。內置工業(yè)級電源系統(tǒng)，支持擴展電源輸出，用于為其他設備提供電源。系統(tǒng)硬件結構如圖 1所示。

圖1硬件結構圖

2.1協(xié)議轉換模塊

協(xié)議轉換模塊是嵌入式網(wǎng)關的核心，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內核的 16/32位 RISC嵌入式微處理器。配置了兩片 HY57V561620并聯(lián)構成的 32位 64MB SDRAM存儲系統(tǒng)，存放系統(tǒng)運行時的用戶數(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總線接口模塊實現(xiàn)網(wǎng)關與 CAN總線設備的互聯(lián)。網(wǎng)關的 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將嵌入式網(wǎng)關內部電路與現(xiàn)場總線進行電氣隔離，保護網(wǎng)關的正常準確工作，因此在 CAN控制器與收發(fā)器之間使用光耦 6N137進行隔離，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,本設計中其地址定義在 BANK5中，因此使用此基地址加上 SJA1000內部寄存器地址的偏移量就可以訪問 SJA1000內部 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

自適應以太網(wǎng)接口模塊提供了網(wǎng)關接入以太網(wǎng)的接口。以太網(wǎng)控制器采用DM9000，它具有高度的集成性，具有獨特的 Packetpage結構可自動適應網(wǎng)絡通信量模式的改變和現(xiàn)有系統(tǒng)資源，使網(wǎng)關以 10Mb/s或 100Mb/s的速率接入以太網(wǎng)網(wǎng)絡。DM9000與 CPU按照16位方式連接，以太網(wǎng)控制芯片復位后默認工作方式為 I/O連接。

3軟件設計

本網(wǎng)關的設計采用了基于消息隊列的多線程以及多進程的方式，實現(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)報協(xié)議）。要實現(xiàn)進程間通信，可以通過管道、信號量、消息隊列及共享內存區(qū)等多種方式，在不同的系統(tǒng)中使用時各有優(yōu)點，文獻[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消息隊列性能最好。而網(wǎng)關中每次收發(fā)的數(shù)據(jù)也在 100個字節(jié)以內。所以本設計中使用system Ⅴ消息隊列在進程間傳送數(shù)據(jù)。

在軟件設計上可將其分為兩大部分：CAN總線設備通信程序進程（主程序）和協(xié)議轉換及以太網(wǎng)通信程序進程（server）。

3.1 CAN總線設備通信程序

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、總線定時寄

存器BTR0，BTR1、驗收代碼寄存器ACR、驗收屏蔽寄存器 AMR和輸出控制寄存器 OCR等的設置。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）和調用 server進程的線程。這就保證了兩個 CAN口能分別同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù),網(wǎng)關同時也能與上位機軟件通信。

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)絡中接受各種智能設備采集的實時數(shù)據(jù)或報警信息，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)送到消息隊列 0中。這里發(fā)送到消息隊列上的數(shù)據(jù)包括 CAN報文的 ID識別碼，RTR幀等信息，即不解析收到的CAN數(shù)據(jù)包內容，直接將其發(fā)送到消息隊列 0

CAN.send線程： msgrecv(msgid,&msg1,sizeof(struct msgtype1),2,0)；//從消息隊列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)點當然,也可以只用一個 CAN口實現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)收發(fā),但這時要注意防止 CAN口的收發(fā)沖突,

這就要加入互斥鎖[3]。 CAN總線設備通信程序主要流程如圖 2所示。