基于CAN与Ethernet接口的粮情通信分机.pdf

2 01 1正 第 4期 仪表技术与传感器 I ns t r ume nt Te chn iq u e a n d S e ns o r 2 01 1 NO 4 基于 C A N与 E t h e r n e t 接 口的粮情 通信分机 孙康 岭 ， 徐 遵 义 ( 1 泰山职业技术学 院机 电工程 系， 山东泰安2 7 1 0 0 0 ； 2 山东建筑大学计算机科 学与技术学院 ， 山东济南2 5 0 1 0 1 ) 摘要： 根据 国内粮情测控技术的发展趋势， 为满足粮食储备企业管控一体化的需求， 提 出了基于 C A N与E t h e r n e t 接 口 的粮 情通信分机 的嵌入式 解决方案 。以网络单 片机 D S 8 0 C 4 0 0为核 心进行 了硬 件设 计与软 件设 计 ， 完成 了软硬 件 测试 ， 并在粮情测控系统中获得 了应用。应用结果表明， 通信分机功能完善 ， 性能可靠。 关键 词 ： C A N； E t h e me t ； D S 8 0 C 4 0 0； 粮情 ； 通信分机 中图分类号 ： T P 2 7 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 21 8 4 1 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 8 70 3 Co m mun ic a t io n Ex t e ns io n De s ig n f 0 r Gr a in Sit ua t io n Ba s e d o n CAN a nd Et he r ne t SUN Ka ng ling ， XU Zu n y i2 ( 1 De p a r t me n t o f Me ch a n ica l a n d E l e ct r i c E n g i n e e ri n g ， T al s h a n P o l y t e ch n ic， T a ia n 2 7 1 0 0 0 ， C h in a ； 2 S ch o o l o f C o mp u t e r S ci e n ce a n d T e ch n o l o g y ， S h a n d o n g J i a n z h u Un i v e r s i t y ， J in a n， 2 5 0 1 0 1 ， C h i n a ) Abs t r a ct： Acco r d in g t o d e v e lo pme n t t r e n ds o f d ome s t ic g r a in me a s u r e me n t a n d co n t r o l t e ch no lo g y， t h e s o lu t io n wa s pu t f o r wa r d b a s e d o n CAN a n d E t h e r n e t o f co mmu n ica t io n e x t e n s io n t o me e t t h e r e s e r v e s o f f o o d e n t e r p r is e f o r ma n a g e me n t a n d co n t r o l in t e g r a t io n T h e h a r d wa r e d e s ig n a n d s o f t wa r e d e s ig n w e r e ca r r ie d o u t wit h DS 8 0C 4 0 0 a s t h e co r e T h e d e b u g g in g o f h a r d w a r e a n d s o f t wa r e wa s ca r r ie d o u t for co mmu n ica t io n e x t e n s io n T h e a p p lica t io n o f co mmu n ica t io n e x t e n s io n wa s g a in e d in t h e me a s u r e me n t a n d co n t r o l o f g r a i n s it u a t i o n T h e p r a ct ica l a p p li ca t io n s h o ws t h a t it i s g o o d a n d r e li a b l e Ke y wor d s： CAN； Et he r ne t ； DS 8 0C40 0； g r a in s it ua t io n； co mmun ica t io n e x t e ns io n 0引言 粮食在贮藏过程中， 会受温度 、 湿度、 微生物及昆虫等因素 的影响， 出现发热、 霉变、 虫害孳生等情况， 从而造成其质量的不 良变化。因此 ， 采用粮情测控技术， 对粮食贮藏过程中的影响 因素进行实时监测 、 分析 、 控制是 保 障粮 食储 存 品质 的关 键 ， 储 粮参数的自动检测与控制具有重要的社会意义与经济价值。 国内一些单位已研制了多种计算机粮情测控系统， 实现了 粮食储藏过程 中粮情 变化 的实 时检 测 、 分析 、 预 测及 异 常粮情 的控制等。这些粮情测控系统的结构基本相同， 如图 1 所示。 其中， 测控分机经现场检测完成粮库 内粮食温度、 环境湿度等 的采集， 并将这些信息传给通信分机 ； 通信分机收到后进行通 信协议转换， 之后将数据传给测控主机 ； 测控主机对传来 的粮 情数据进行处理 ， 将相应的控制命令发到通信分机； 通信分机 对信息进行格式转换后 发给测控分 机 。测控 分机执 行命 令 ， 完 成数据采集、 降温、 通风等操作 。 图 1 粮情 测控 系统的结构 基金项 目 ： 山东 省教育厅 科研 项 目( J 0 7 WJ 2 6 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 10 11 0 测控 主机 主要采用 P C机 ， R S一2 3 2是 P C机 的串行 接 口。 R S一 4 8 5是 R S一2 3 2的升 级 版 ， 可实 现较 长距 离 ( 最长 1 2 0 0 m) 的串行通信， 该通信技术应用时间较长， 可较为容易地实现 与 R S一2 3 2接口的转换， 是主机连接测控分机最常用的总线形 式。因此基于 R S一 4 8 5与 R S一2 3 2总线接 口的通信分机在国 内粮情测 控系统 中被广 泛采用 J 。 基于 C A N与 E t h e r n e t 的粮情测控系统， 将 C A N总线构成 的测控网络与以太网构成的管理信息网络相融合， 在测控底层 发挥 C A N总线作 为专 用控制 网络 的优势 ” I 9 ， 在信 息管 理层 发 挥以太网的优势， 从而满足粮食储备企业管控一体化的迫切需 要 ， 是非常有必要的。但是， C A N总线网络与以太网在设计思 路 、 通信协议以及具体实现上的差异巨大， 无法实现直接连接 ， 需要研究开发基于 C A N与以太网接口的粮情通信分机。借助 于该 分机 ， 实现两种 网络 的互 联 ， 即可 通过 局域 网甚至 互联 网 采集 现场的数据并对 现场的设备进行实 时的控制 和维 护。 该通信分机主要应有以下功能： 具有 C A N总线接口及 以 太网接 口， 可进行 C A N与 T C P I P协议 的转换， 从而实现 C A N 总线接口的测控分机与以太网接口的主机之间的通信。实现 方案主要有 3种 ： 采用以太网卡 +C A N现场总线接 口卡 +P C 机 ， 这种方案有成本高 、 设备体积大、 对粮库环境适应性差等缺 点 ； 也可采用微 控制器 +以太 网接 口芯片 +C A N总线接 口芯片 实现互联 ， 这种方案需要 多块 芯片 ， 而且 需 自行开 发 T C P I P 协议栈 ， 开发周期长 ， 开发难度 高， 可靠性低； 为适应粮库工作 环境 ， 采用集成有多种接口功能并 内嵌网络协议的网络单片机 8 8 I n s t r u me n t T e ch n iq u e a n d S e n s o r Ap r 2 0 1 1 作为核心设计粮情通信分机， 该方案具有设备体积小 、 可靠性 高 、 性 价比高、 开发周期短 等特点 。 1 通信分机硬件设计 D S $ O C A O 0是与 8 0 5 1 兼容的高度集成的高速网络单片机。 它执行指令的速度比普通的8 0 5 1 快 3倍。片内集成了 1 0 1 0 0 b i t s的以太网控制器、 3个串行端 口、 1个 C A N 2 0 B控制器、 一 个 1 一Wi r e 控制器和 6 4个 VO引脚 ， 只需外接 C A N收发器 、 以太网收发器等部件， 就可以很容易的搭建出通信分机硬件平 台。综合考虑各方面因素， 以该产品为核心构建粮情通信分 机， 其系统框图如图2所示。 图 2 粮情通信分机硬件框 图 1 1 以太网接口电路设计 D S 8 O C 4 0 0内部集成的以太网控制器支持使用 I E E E 8 0 2 3 协议的物理设备， 可实现与以太网和 I n t e me t 的接入。它通过 一 个媒体独立接口( MI I ) 提供了接收、 发送和流控制机制。MI 可以设置为半双工和全双工模式， 速率可以是 1 0 M b i t s和 1 0 0 Mb p s L X T 9 7 2 A L C是一个 遵守快速 以太 网协议 的接收发送 芯片。 根据 7层 网络通信模型， L X T 9 7 2 A L C是物理层 设备， 支 持 1 0 B A S ET X和 1 0 0 B A S E一 以太网 MA C标准的 MI I 接口。 它完成了参考模型中以 I E E E S 0 2 3标准定义的物理层的功能， 还能执行 MI I 的所有功能。L X T 9 7 2 A L C和 D S 8 O C AO 0的连接原 理图如图 3 所示 。 T X E N T X D RXC L K 萎 M I I I O R X D Y 羞 蚕 毒 霞 R X D 一R 3 4 5 流 控 制 ) R X E R 量 。 CRS CoL M I I 管理 MD C 模块 D M1 0 图 3 L XT 9 7 2 AL C和 DS 8 0 C 4 0 0的连接原理图 1 2 C A N总线接 口电路设计 D S 8 0 C 4 0 0内部集成的C A N 2 0 B控制器使得 D S 8 0 C 4 0 0能 支持 C A N协议并能很方便地接人 C A N总线。D S 8 0 C 4 0 0内部 集成的 C A N控制器是一个协议控制器， 不提供物理层驱动器 ( 即收发器) ， 因此在 使 用时需要 外加 C A N总线收 发器提供 物 理层驱动 。通 过集成 的 C A N 2 0 B控 制器 ， 外 接 C A N收发器和 C A N网络相 连。收发 器使 用 S N 6 5 H V D 2 3 0 ， 它具 有低 成 本、 低 功耗的特点。该收发器具有差分收发能力， 最高速率可达 1 M b i t s S N 6 5 H V D 2 3 0有 3种工作模式： 高速模式， 倾斜模式和低 功耗模式， 设计中将其设为高速模式， 其与 D S S O C A 0 0的硬件连 接 图如图 4所示 。 图 4 S N6 5HVI Y 2 3 0与 DS S 0 C A0 0的连 接 原 理 图 2 通信分机软件设计 D S 8 0 C 4 0 0中具有 1 K B的扩展堆栈空 间 ， 一个 T C P I P V 4 V 6协议栈 、 抢占式的调度程序和网络引导程序 ， 支持对 J a v a 、 C 语言的二次开发。D a ll a s S e m i co n d u ct o r 公司提供了相应的开发 工具。由于工业测控网络对实时性和可靠性要求很高， 而J a v a 语言是一种解释性语言， 使用 J a v a 语言开发的程序必定会存在 速度上的问题。C语言与硬件资源联系密切， 开发灵活性大， 可以根据具体的需求开发出高性 能的系统。另外， D S 8 0 C 4 0 0 的 R O M提供经过验证的网栈、 进程调度器和存储管理器等功 能， 这些功能可以用 C语言来访问。因此 ， 编程采用 C语言来 完成。 通信分机主要接收来 自C A N与 E t h e me t 接口的数据， 经协 议转换后发送到对方接口。利用 D S 8 0 C A0 0的 R O M提供的多 任务功能可以设计两个独立的任务 ， 以实现 C A N总线数据传 送到以太网( C A N E t h e me t ) 及以太网数据传送到 C A N总线网 络( E t h e r n e t C A N) 的双向数据传输。其中， 一个任务将测控分 机经 C A N总线传来 的现场 粮情 数据 进行 接收 和处 理 ， 同时经 C A N到 T C P 1 P协议转换后将数据发送到以太网交给测控主 机； 另一个任务将测控主机经 E t h e me t 接 口传来的控制命令进 行接收和处理， 经 T C P I P到 C A N协议的转换后， 将数据发送 到 C A N总线 交给测控 分机 。这 里 ， C A N报 文 的接 收 与发送一 样， 都是由C A N控制器 自动完成的。上述两个任务分别对应 不同的事件。 主进程主要用来实现 C A N接 口及以太网接 口的初始化、 与测控主机建立 S o ck e t 连接 、 设置任务的优先级等， 然后等待 事件的发生。主进程根据事件的不同调用相应的任务。通信 分机软件的设计将主要围绕这两个任务来展开。 2 1 C A N- E t h e r n e t 的任务设计 D C 8 0 C A 0 0在 R O M中固化了一个完备的、 可由开发人员访 问的T C P I P 议栈， 开发人员不必关心底层的 T C P I P的具体 实现， 只需通过 S o ck e t 插口调用就可以在网络上发送和接收数 据 。 C A N E t h e r n e t 任务主要完成接收 C A N总线上的数据帧， 并 发送到以太网上 ， 然后 由测控主机进行数据的处理 ， 从而完成 第 4期 孙康岭等 ： 基于 C A N与 E t h e me t 接口的粮情通信分机 对现场测控数据 的采集任务。这个任务是采用事件 触发的。 当 C A N接 口的接收缓冲区中有数据需要接收时， 事件发生， 任 务被 执行 。该 任务 的处 理过 程 如下 ： 调用 接 收 C A N数 据 帧 函 数 以便从 C A N总线接 收数 据 ， 将收 到的数 据封 装成 T C P I P数 据报文， 之后发送 报文到 以太 网。该 任务 的流程 如 图 5所 示 。 图 5 C AN- E t h e r n e t 的任务流程 2 2 E t h e r n e t C AN的任务设计 通信分机的以太网接 口与控制主机所在的局域以太网相 连 。通信 分机通过执行上一个 任务将数 据传送 给控 制主 机 ， 控 制 主机对 现场采集来 的这些 数据进 行存储 。根据控 制要 求 ， 通 过一定的算法进行分析处理 ， 然后发送相应的控制信息到通信 分机。 当测控主机将命令发给通信分机时， 通信分机 的以太网接 收缓冲区中有数据需要接收， 主进程检测到相应的事件， 转向 执行 E t h e me t C A N任务。该任务的处理过程如下 ： 接收数据， 然后 判断收到数 据 的字节 数 。因为一 次 可 以接 收最 大 2 5 6字 节的数据 ， 而 C A N数据 帧最多只 容纳 8字节 的数据 ， 当接 收到 的数据小于 8字节时直接 打包发送 ， 当数 据大 于 8字 节时需 将 数据分批发送 。E t h e me t C A N任务 的流程如图 6所示 。 3 结束语 C A N总线技术以其独有的优势和特点， 在现代分布式测量 与控制技术领域 中的应用 愈 来愈 广泛 。以太 网是 企业 管理 网 络的主流。将 C A N总线构成的现场粮情测控网络与以太网构 成的粮情管理信 息 网络相 融合 ， 是 粮情 测控 系统 的发 展 趋势 。 两种网络的通信必须经由通信分机来实现。结合粮库工作环 境 ， 提 出了一种基于 C A N与 E t h e r n e t 接 口的粮情通 信分机解 决 方案。以网络单 片机 D S 8 0 C 4 0 0为核心进 行 了分机 的软硬件 设 计 ， 并完 成 了 调试 。通 过 两 个 独 立 运 行 的任 务 ， 实 现 了具 有 图 6 E t h e r n e t - C AN的任务流程 C A N总线接 口的粮情测控分机与具有 以太 网接 口的测控管理 主机问的双向数据通讯 ， 为粮食储备企业管控一体化的实现提 供了有力支撑 。应 用结 果表 明 ， 该通 信分 机功 能完 善 ， 性 能可 靠 。 参考文献： 1 王锋 ， 孔李军 ， 艾英 山 粮情测 控系统中多传感器信息 融合技术 的 应用 农机化研究 ， 2 0 1 0 ( 2 )： 1 6 61 6 9 2 杨松山 粮情测控系统现状及其发展探析 粮食流通技术， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 2 1 2 2 3 毛哲 ，