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CAN與以太網(wǎng)數據交換的研究與分析
摘要：主要介紹將CAN現場(chǎng)總線(xiàn)以協(xié)議中的標準模式接入以太網(wǎng)的方法，實(shí)現CAN網(wǎng)絡(luò )中的數據和以太網(wǎng)中的數據進(jìn)行簡(jiǎn)單交換；給出相應的硬件和軟件原理以及重點(diǎn)難點(diǎn)說(shuō)明。1 技術(shù)背景
CAN（Controller Area Network——控制器局域網(wǎng)）是一種由帶CAN控制器組成高性能串行數據局域通信網(wǎng)絡(luò )，是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。它最早由德國B(niǎo)osch公司推出，用于汽車(chē)內部測量與執行部件之間的數據通信。其總線(xiàn)規范已被ISO估計標準組織制定為國際標準。由于其具有多主機、傳輸距離遠（最遠為10km）、傳輸速度快（最快為1Mbps）、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以被認為是最有發(fā)展前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。
CAN協(xié)議是建立在國際標準組織的開(kāi)放系統互連模型基礎上的。1991年9月，Philips Semiconductors制定并發(fā)布的CAN技術(shù)規范Version2.0為現行最高版本。其中規定了兩種模式：標準模式和擴展模式。本文主要對標準模式進(jìn)行介紹。
TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol——傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò )協(xié)議）是一個(gè)工業(yè)標準的協(xié)議集，包括IP、TCP、UDP等子協(xié)議，保證數據在網(wǎng)絡(luò )上的正確傳輸。TCP/IP協(xié)議是現代因特網(wǎng)的基礎。
TCP/IP協(xié)議為四層模型：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò )層和數據鏈路層。每層都有不同的功能，而且層和層之間在邏輯上是相互獨立的。每層都對應一些子協(xié)議，如圖1所示。本文用到的協(xié)議包括ARP、IP和TCP等。
2 應用背景
CAN總線(xiàn)在很多行業(yè)被廣泛應用。由其組成的局域網(wǎng)可以將很多底層測控設備連接起來(lái)，最遠距離可達10km(在不接中繼器的條件下)。相對其它現場(chǎng)總線(xiàn)，該距離已經(jīng)是很遠了。但隨著(zhù)以太網(wǎng)的發(fā)展，人們希望對底層設備也能進(jìn)行真正意義上的遠程控制。工控機加接口卡已經(jīng)被用來(lái)實(shí)現這一目的，但價(jià)格和接口卡帶來(lái)的瓶頸等問(wèn)題也隨之暴露出來(lái)。本文是以單片機、CAN器件和網(wǎng)絡(luò )芯片為核心的模塊來(lái)完成該功能進(jìn)行敘述的。這種方案降低了成本，避免了瓶頸。
3 硬件部分
硬件的實(shí)現方案有多種，可以采用集成TCP/IP協(xié)議的單片機外加CAN收發(fā)器和控制器；也可采用集成CAN控制器的單片機外加CAN收發(fā)器和網(wǎng)絡(luò )芯片。本文的實(shí)例采用不帶任何集成的單片機Philips P89C668，外加CAN控制器SJA1000、CAN收發(fā)器TJA1050以及網(wǎng)絡(luò )芯片RTL8019AS，組成一個(gè)轉換模塊，功能模塊如圖2所示。
P89C668：微控制器，主要的控制部分，實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )芯片以及CAN器件的控制，并進(jìn)行兩者之間的協(xié)議轉換。
SJA1000：CAN控制器，兩種工作模式（BasicCAN和PeliCAN）。BasicCAN僅支持標準模式，PeliCAN支持CAN2.0B的標準模式和擴展模式（本文僅介紹BasicCAN模式）。支持錯誤分析功能，對CAN收發(fā)器進(jìn)行控制，為微控制器提供了控制CAN總線(xiàn)的簡(jiǎn)單接口。
TJA1050：CAN收發(fā)器，微控制器對CAN控制器進(jìn)行相應配置后，收發(fā)器自動(dòng)過(guò)完成相應的CAN總線(xiàn)動(dòng)作。
RTL8019：網(wǎng)絡(luò )芯片，提供給微控制器控制以太網(wǎng)的簡(jiǎn)單接口，使微控制器只需要對其進(jìn)行相應讀寫(xiě)即可完成對以太網(wǎng)的操作。
實(shí)驗中另外用到一個(gè)CAN模塊作為一個(gè)CAN節點(diǎn)，和轉換模塊一起組成一個(gè)簡(jiǎn)單的CAN網(wǎng)。
4 軟件部分
4.1 CAN編程
BasicCAN模式中的CAN編程相對簡(jiǎn)單，只需要對SJA1000相應的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作即可。在該模式下，報文識別碼為11位，在經(jīng)過(guò)驗收濾波器的篩選后，符合條件的報文才能被接收，并存入SJA1000接收緩沖區。識別碼值越小，優(yōu)先級越高。如果總線(xiàn)上出現報文沖突，優(yōu)先級高的報文選占據總線(xiàn)。CAN節點(diǎn)間每次最多傳送的數據為10個(gè)字節。發(fā)送緩沖區寄存器的描述如表1所列，它與接收緩沖區寄存器結構大體相同，只是地址不同。
表1 發(fā)送緩沖區寄存器
本實(shí)驗中用到P89C668的外部中斷1。該中斷由SJA1000引發(fā)，設置為當SJA1000收到來(lái)自
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