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關(guān)于LPC2378的CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)
引言
現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)[1]�，F(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。CAN 總線[6]作為現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性[4]。
以太網(wǎng) (Ethernet)作為構(gòu)筑互連網(wǎng)的一種最普及的局域網(wǎng)技術(shù)，具有較好的技術(shù)穩(wěn)定性和傳輸數(shù)據(jù)的高效性等特點(diǎn)，此外，以太網(wǎng)還可以方便的與干線網(wǎng)絡(luò)連接，整個(gè)控制系統(tǒng)還能夠支持互連網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)。因此，使用以太網(wǎng)作為工業(yè)控制的上層網(wǎng)絡(luò)有著十分明顯的優(yōu)勢(shì)[2]。
本文給出了一種基于LPC2378 的CAN 總線和以太網(wǎng)互聯(lián)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案[3]，有效解決了底層現(xiàn)場(chǎng)總線與上層控制系統(tǒng)的互聯(lián)問(wèn)題。
1 硬件設(shè)計(jì)
網(wǎng)關(guān)主要由微控器模塊，以太網(wǎng)接口模塊，CAN 接口模塊構(gòu)成。微控器模塊主要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議和CAN 協(xié)議的互相轉(zhuǎn)換，以太網(wǎng)接口模塊主要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，CAN 接口模塊主要實(shí)現(xiàn)CAN 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
1.1 微控器選型
本設(shè)計(jì)采用 Philips 公司的LPC2378 作為主控器，LPC2378 是一款基于ARM7TDMI 內(nèi)核的32 位微處理器，工作頻率高達(dá)72MHz,內(nèi)嵌512kB 的Flash 程序存儲(chǔ)器，ARM 局部總線上有32kB 的SRAM，可以進(jìn)行高性能的CPU 訪問(wèn)，內(nèi)部集成2 路CAN 控制器和1 個(gè)以太網(wǎng)控制器，只要加上CAN 收發(fā)器和網(wǎng)絡(luò)變壓器即可組成CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，大大簡(jiǎn)化了電路。
1.2 以太網(wǎng)接口模塊
LPC2378 內(nèi)部集成以太網(wǎng)控制器，支持10M 或100Mbps PHY 器件，與標(biāo)準(zhǔn)802.3 完全兼容，內(nèi)部含16kB 靜態(tài)RAM，也可用作通用SRAM，帶有分散/集中式DMA 的DMA 管理器以及幀描述符數(shù)組，加上網(wǎng)絡(luò)變壓器后通過(guò)RJ45 接口與以太網(wǎng)相連。
1.3 CAN 接口模塊
LPC2378 內(nèi)部集成2 路CAN 控制器，在任何一路外面加上CAN 收發(fā)器都可以組成CAN接口電路，本設(shè)計(jì)采用CTM8251 作為CAN 收發(fā)器，其主要功能是將CAN 控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN 總線的差分電平，并具有DC 2500V 隔離功能，省略了傳統(tǒng)電路的光電隔離模塊，簡(jiǎn)化了電路，接口速率高達(dá)1Mbit/s。
2 軟件設(shè)計(jì)
網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)主要包括以太網(wǎng)模塊通信，CAN 模塊通信，以太網(wǎng)協(xié)議與CAN 協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換三個(gè)部分。
2.1 以太網(wǎng)模塊通信
以太網(wǎng)模塊通信主要包括以太網(wǎng)控制器的初始化和TCP/IP 協(xié)議的嵌入兩部分，主程序通過(guò)調(diào)用以太網(wǎng)模塊通信程序驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)控制器。
2.1.1 以太網(wǎng)控制器的初始化
以太網(wǎng)控制器的初始化主要有設(shè)置以太網(wǎng)MAC 寄存器，工作模式，定義發(fā)送緩沖區(qū)的大小，IP 地址、子網(wǎng)掩碼。
2.1.2 TCP/IP 協(xié)議的嵌入
TCP/IP 協(xié)議作為以太網(wǎng)通信協(xié)議嵌入到微處理器中[5]，其主要作用是管理以太網(wǎng)報(bào)文的發(fā)送和接收，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程主機(jī)與網(wǎng)關(guān)的通信。
因?yàn)楸揪W(wǎng)關(guān)主要應(yīng)用于井下控制系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸實(shí)時(shí)性要求較高，所以在傳輸層使用UDP 協(xié)議，該協(xié)議是一種無(wú)連接協(xié)議，只把從TCP/IP 應(yīng)用層中的得到的消息簡(jiǎn)單分組為數(shù)據(jù)報(bào)，所以一般UDP 的運(yùn)行速度要比TCP 快40%，適合工業(yè)控制系統(tǒng)。
在網(wǎng)絡(luò)層，設(shè)計(jì)主要采用了IP 協(xié)議作為傳輸協(xié)議，IP 協(xié)議是整個(gè)TCP/IP 協(xié)議的核心，傳輸層的UDP 協(xié)議要以IP 數(shù)據(jù)報(bào)的格式進(jìn)行傳輸。
另外，在網(wǎng)絡(luò)通信中，還需要用到ARP 協(xié)議，其功能是根據(jù)目標(biāo)IP 地址查詢對(duì)應(yīng)的MAC 地址。
2.2 CAN 模塊通信
CAN 模塊通信主要包括CAN 模塊的初始化，CAN 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，主程序通過(guò)調(diào)用CAN 模塊通信程序驅(qū)動(dòng)CAN 控制器。
2.2.1 CAN 模塊的初始化
CAN 模塊的初始化包括復(fù)位CAN 控制器，配置CAN 口波特率，初始化CAN 模塊中斷，設(shè)置CAN 驗(yàn)收濾波器工作方式、CAN 控制器的工作模式。
2.2.2 CAN 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收
發(fā)送程序負(fù)責(zé)將以太網(wǎng)傳輸來(lái)的UDP 數(shù)據(jù)包按照CAN 協(xié)議轉(zhuǎn)換后的CAN 報(bào)文傳輸?shù)紺AN 總線上。LPC2378 集成2 路CAN 控制器，每個(gè)CAN 控制器都有3 個(gè)發(fā)送緩沖器，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)要查詢對(duì)應(yīng)狀態(tài)寄存器（CAN1SR 或CAN2SR），檢查上次發(fā)送是否完成，若沒(méi)完成，則把要發(fā)送數(shù)據(jù)存入發(fā)送緩沖區(qū)，若完成，則向相應(yīng)命令寄存器（CAN1CMR 或CAN2CMR）寫入發(fā)送命令，發(fā)送數(shù)據(jù)。
CAN 控制器采用中斷接收數(shù)據(jù)，若CAN 數(shù)據(jù)通過(guò)濾波器濾波，則觸發(fā)一個(gè)接收中斷，在中斷程序中將數(shù)據(jù)從接收緩沖器中存入接收緩沖區(qū)，然后通過(guò)向相應(yīng)的命令寄存器（CAN1CMR 或CAN2CMR）寫入釋放接收緩沖器命令，最后通過(guò)轉(zhuǎn)換協(xié)議轉(zhuǎn)換為UDP 數(shù)據(jù)包。
2.3 以太網(wǎng)協(xié)議和 CAN 協(xié)議轉(zhuǎn)換
網(wǎng)關(guān)的核心設(shè)計(jì)即為協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)，協(xié)議轉(zhuǎn)換的具體過(guò)程如下：
當(dāng)收到的數(shù)據(jù)為CAN 數(shù)據(jù)包時(shí)，首先添加UDP 報(bào)頭，再添加IP 報(bào)頭，最后添加以太網(wǎng)幀頭，封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，存入以太網(wǎng)緩沖區(qū)，最后發(fā)送到以太網(wǎng)。過(guò)程如圖2，3 所示：
當(dāng)收到的數(shù)據(jù)為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，首先判斷數(shù)據(jù)包中是否含有IP 報(bào)文，目的地址是否匹配，是否含UDP 數(shù)據(jù)報(bào)，UDP 數(shù)據(jù)報(bào)端口是否匹配，如果以上條件都滿足，則按照UDP封裝的反過(guò)程來(lái)取出數(shù)據(jù)，即依次去除IP,UDP 報(bào)頭，再將數(shù)據(jù)存入CAN 發(fā)送緩沖區(qū)，最后發(fā)送到CAN 總線。轉(zhuǎn)換流程如圖4：
3 結(jié)束語(yǔ)
基于 LPC2378 的CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)集成了2 路CAN 控制器和1 路以太網(wǎng)控制器，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，縮小了產(chǎn)品的體積，成本低廉，采用UDP 協(xié)議實(shí)時(shí)性高，適合煤礦井下控制系統(tǒng)應(yīng)用。
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[參考文獻(xiàn)] (References)
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