摘 要： 研究了以太網和CAN總線間的互聯技術。通過分析以太網和CAN總線的網絡模型，給出了實現以太網和CAN總線互聯的核心設備——Ethernet/CAN網關的模型結構，并在此模型的基礎上給出了基于ARM7微處理器的網關硬件設計方案和軟件流程。
關鍵詞： CAN 以太網 網關 設計
現場總線（Field Bus）在工業控制領域得到了廣泛的應用。而以太網(Ethernet)以其廉價和開放的特點成為最普及的局域網技術，它是構筑互聯網的基礎。現場總線通信數據量小，可靠性高。而以太網通信數據量大，速度快。10M/100M的以太網目前已經非常成熟。將以太網作為信息傳遞的主干網，連接現場總線和其他高級設備的新型網絡結構是工業控制網絡的發展趨勢。
在這種新的工業控制網絡中，以太網不僅是主干網，而且可與現場總線相互交換數據。所以工業控制網絡不僅可以深入到控制現場的各種設備，還可以借助互聯網實現對現場設備的遠程調試和故障診斷。要將現場總線接入以太網，關鍵是設計以太網和現場總線間的網關，從而實現2個網絡間的數據傳輸。
不同的現場總線，因其通信協議不同，需要設計不同的網關。本文主要討論目前在現場總線中應用較多的CAN(Control Area Network)總線和以太網間網關(Ethernet/CAN Gateway)的設計。其網絡結構如圖1所示。
1 網關的模型
Ethernet/CAN網關連接的是2個通信協議和結構完全不同的網絡。對于Ethernet/CAN網關來說，它的工作實際上是對信息重新封裝以使它們能夠被Ethernet或CAN網所讀取。為了完成這項任務，網關必須能運行在OSI模型的幾個層次上。下面先討論OSI和Ethernet以及 CAN的網絡模型。
OSI是國際標準化組織（International Standardization Organization，ISO)為實現開放系統互連而建立的模型，其目的是為異種計算機間的互連提供一個共同的基礎和標準框架，并為保持相關標準的一致性和兼容性提供共同的參考。OSI參考模型如圖2所示。
OSI模型共有7層。每一層的功能都是獨立的，而且利用下一層所提供的功能為上一層服務。物理層是第1層，應用層是第7層。每層的具體功能和定義可以參閱有關書籍。在OSI模型中，1～3層為底層，實現傳輸功能。網絡和終端都具備此功能。4～7層為高層，實現通信處理，通常用網絡終端來實現。Ethernet和CAN的網絡模型都只支持OSI所定義的7層結構中的一部分，在某些層次上,其定義也有所不同。
Ethernet中沒有與OSI模型中的會話層和表示層相對應的層次。Ethernet網絡模型如圖3所示。其中數據鏈路層的定義和OSI模型有所不同，它由邏輯鏈路控制（LLC）和介質訪問控制（MAC）2個子層組成。LLC的主要功能是對數據報的封裝和拆裝。MAC的主要功能是控制對傳輸介質的訪問。
嚴格說來，標準CAN總線只支持OSI模型中最低的2層。和Ethernet一樣，在數據鏈路層也分為邏輯鏈路控制子層和介質訪問控制子層2個部分。但具體定義和Ethernet中的定義有所不同。由于CAN總線并沒有定義應用層，因此用戶可以自己定義應用層的協議。
對于網關來說，它必須能夠讀取和發送Ethernet和CAN網上的數據。因此，它必須具備CAN以及Ethernet所定義的網絡層次。通過對Ethernet和CAN網絡模型與OSI模型的對比與分析，可以得到Ethernet/CAN網關的基本模型結構圖如圖4所示。
在網關模型中，與Ethernet和CAN網絡連接部分的各層的定義與Ethernet和CAN網絡模型中所定義的相同。不同的是在Ethernet應用層的位置，定義了一個管理協議層。Ethernet和CAN網絡之間的信息傳遞就是在該層實現的。網關的管理協議層包含了Ethernet應用層和對CAN總線站點的管理。
2 網關的實現
通過前面的討論，得到了網關的基本模型。對于它的實現，有2種較常用的方法：一種是采用設計專用集成電路的方法。這種設計方法的優點是網關的速度快，可靠性高，但設計復雜度高，開發周期長。另一種方法是采用通用型微處理器并配備一定的外圍電路來構造硬件平臺。通過在該平臺上所運行的程序來實現網關的功能。本文采用后一種實現方式。
根據網關的功能，網關系統主要由3部分組成：CAN總線接口、協議處理單元和Ethernet接口。網關硬件結構如圖5所示。很明顯，協議處理單元是網關硬件的核心，它的主要部分是通用微處理器，主要完成CAN總線到以太網的協議轉換。因此通用微處理器的性能決定了網關實時性的優劣。
協議處理單元中的通用微處理器在設計中采用ARM公司的ARM7TDMI 32位RISC處理器。它含有3級流水線，采用單一的32位數據總線傳送指令和數據，因此有很優越的性能。Ethernet接口電路采用臺灣Realtek公司生產的以太網控制芯片RTL8019AS來實現。RTL8019AS本身包含了Ethernet網絡模型中最低2層。而CAN總線接口電路中采用的是應用比較廣泛的CAN總線控制芯片SJA1000。網關硬件框圖如圖6所示。其中，為了提高抗干擾性，CAN接口電路中加入了光電隔離電路。網關運行的程序和相應的參數的設置通過RS232接口電路完成。
網關硬件框圖中與網關模型中的CAN總線物理層和數據鏈路層相對應的是CAN物理接口電路和CAN控制器SJA1000。網關模型中Ethernet物理層和數據鏈路層與硬件框圖中的以太網控制器相對應。網關模型中其他部分由ARM處理器件中所運行的軟件來實現。
網關軟件的工作流程圖如圖7所示。當連接在CAN總線上的現場設備向連接在Ethernet上的監控計算機發送數據時，數據首先通過網關上的CAN總線接口電路送到CAN總線控制芯片SJA1000。SJA1000向ARM處理器發出中斷請求。如果此時ARM處理器正在執行其他優先級較高的任務，數據就暫時存儲在SJA1000的緩存中。當ARM處理器執行完任務后，響應中斷，從SJA1000中將數據取出。通過管理協議層中所對應的程序，提取需要傳送的數據，然后再對該數據分別添加TCP和IP層所需要的信息。ARM處理器通過并行總線將經過封裝的數據發送給以太網控制芯片RTL8019AS。RTL8019AS自動給這些數據添加以太網物理層和邏輯鏈路層所需要的相關信息，然后再通過物理接口傳送到以太網上。這時監控計算機就可以通過機器的網卡接收到從CAN總線上的設備所傳遞的數據。反之，當監控計算機向CAN總線網中的現場設備發送數據時，它首先通過以太網將數據發送給網關上的以太網控制器RTL8019AS。同樣也是采用中斷的方式，ARM處理器響應中斷后，通過讀取RTL8019AS中的相關寄存器來判定是否收到數據。對于新收到的數據，將其從RTL8019AS的數據緩沖區中取出。在提取其中實際要傳送的數據后，再將數據封裝成CAN總線能夠識別的數據格式，通過CAN總線控制器發送到CAN總線網中相應的現場設備。以上是對網關工作流程的基本描述。ARM處理器響應中斷后，實際上是分別都調用了CAN和Ethernet通信子程序。以太網的TCP和IP層所包含的TCP/IP協議是一個非常大的協議族，因受到網關硬件資源的限制，設計中對TCP/IP協議族進行了簡化。
3 結束語
Ethernet/CAN網關是以太網為主干網的新型工業控制網絡的核心設備。本文對該網關的模型進行了討論，并根據該模型給出了網關的硬件和軟件框圖。使用性能更高的處理器或采用專用集成電路設計技術將進一步提高網關的性能。
參考文獻
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