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西华大学硕十学位论文 基于a r m 的c a n 总线与以太网互连系统设计 机械电子工程专业 研究生韩代云指导教师黄惟公教授 目前，大多数嵌入式自动化系统都以m c u 为核心，与监测、伺服、显示 等仪器、设备配合实现一定的功能。现场信息往往止步于“现场”，嵌入式自动 化系统从而成为了“信息孤岛”，因而制约了其本身的发展。要实现大规模的信 息集成、综合实施自动化，就需要一种能在工业现场环境下运行、可靠性高且 实时性好的通信系统，形成工业现场的底层网络，完成现场自动化设备之间的 多点通信。 e t h e m e t ( 以太网) 和c a n b u s ( 控制器局域网) 分别是目前全球应用最为广泛 的国际互联技术和开放式现场总线。随着测控技术与网络技术日益紧密的结 合，测控系统接入互联网已经成为大势所趋，这也促成了近年来嵌入式网络技 术的飞速发展。以太网技术正在迅猛发展，将其应用到工控领域，可以达到降 低成本，简化结构等成效。随着技术的发展以及实际的需要，将两者结合无疑 会为控制领域的飞速发展带来巨大的原动力。本文设计了一种以a r m 7 处理 器为核心的高性能嵌入式c a n e t h e m e t 网关，可以用来实现监控设备和现场 设备之间稳固、简洁的互连通信，完成对大规模现场设备的实时测控。 本文具体的研究内容如下： 1 ) 以l p c 2 2 9 0 为主控m c u 的c a n e t h e m e t 互连系统的设计思想以及 整体结构设计； 2 ) c a n e t h e m e t 互连系统转换电路及外围接口电路设计，m c s 51 单片 机与m c p 2 5 1 0 实现c a n 总线通信； 3 ) i _ t c o s i i 操作系统在l p c 2 2 9 0 上的移植以及互连系统应用软件设计 实现与探讨； 两华大学硕士学位论文 4 、c a n e t h e m e t 互连系统核心交换模块的设计； 5 ) 使用h t t p 协议实现w e b 服务的功能，并通过w e b 页面实现对现场 设备的远程测控。 关键词：c a n 总线以太网t c p i p 协议a r m 应用 i 上c o s i i a r mb a s e do nt h ec a n b u sa n de t h e r n e t i n t e r c o n n e c ts y s t e md e s i g n m a j o r ：m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g m e c a d i d a t e ：h a nd a i y u n s u p e r v i s o r ：p r o f h u a n gw e i g o n g a tp r e s e n t ，t h em a jo r i t y o fe m b e d d e da u t o m a t i o ns y s t e m s a r eb a s e do n m c u ，h i c ha c h i e v ea c e r t a i nf u n c t i o nw i t han u m b e ro fm o n l t o n n g ， s e r v o d i s p l a yd e v i c e e t c i n f o r m a t i o n i so f t e ns t o pa t t h es c e n e ”l i v e ”e m b e d d e d a u t o m a t i o ns y s t e i i l sb e c o m et h e ”i n f o r m a t i o ni s l a n d , t h a th a ss e r i o u s l yh a m p e r e d t h ed e v e l o p m e n to fi t s e l f i no r d e rt or e a l i z i n gl a r g e 。s c a l ei n f o r m a t i o nm t e g r a t l o n a n dc o m p r e h e n s i v ei m p l e m e n t a t i o no fa u t o m a t i o n ， ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a t c a nb em 1 1i 1 1t h ei n d u s t r i a le n v i r o n m e n t ，h a sh i g hr e l i a b i l i t ya n d9 0 0 d r e a l - t i m e , f o n l l st h eb o u o mo f i n d u s t r i a lf i e l dn e t w o r k s a n d c o m p l e t e s m u l t i - p o i n t c o m m u n i c a t i o nb e t w e e na u t o m a t i o ne q u i p m e n t s a tt h es c e n e e t h e m e ta n dt h ec a n _ b u s ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) i st h em o s tw l d e l y u s e d b vi i l t e m e tt e c h n o l o g ya n do p e nf i e l db u si nt h ew o r l d w i t h t h ec l o s e rc o m b i n a t i o n o fm e a s u r e m e n t c o n t r 0 1t e c h n o l o g y a n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ， e a s u r e m e l m c o n t r o i s v s t e mc o 加e c t e dt ot h ei n t e m e th a sb e c o m e at r e n d w h i c hl e dt ot h er a p l d d e v e l o p m e n to fe m b e d d e d n e 似o r kt e m o l o g yi nr e c e n ty e a r s e t h e m e tt e c h n o l o g y i sa ts t a g eo fr a p i dd e v e l o p m e n t ，w h i c h w i l ll o w e rc o s t sa n ds i m p l i l yt h es t m c m m o ft h es v s t e m w i t ht h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t a n dn e e d s ，ac o m b i n a t i o n w l u b eah u g ed r i v i n gf o r c eo f t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o n t r o lf i e l d i nt h i sp a p e r a h i g h - p e r f o r m a n c ee m b e d d e d c a n - e t h e m e tg a t e w a yb a s e da r m 7p r o c e s s o r c o r e i sd e s i g n e d ，w h i c hc a nb e u s e dt oa c h i e v es o l i dc o n c i s ec o 眦u n l c a t l o n b e 似e e n t h em o n i t o r i n ge q u i p m e n t sa n df i e l dd e v i c e s ，t o c o m p l e t er e a l - t 啪em e a s u r e m e n t a n dc o n t r o lo fl a r g e ，s c a l ee q u i p m e n t 西华大学硕士学位论文 m a i nc o n t e n ti nt h i sp a p e ra sf o l l o w s ： l1 d e s i g nc o n c e p t s a n dt h eo v e r a l ls t r u c t u r a l d e s i g no fc a n e t h e m e t i n t e r c o n n e c t e ds y s t e mb a s e dm c ul p c 2 2 9 0 ； 2 1 d e s i g n o ft h ec o n v e r s i o nc i r c u i ta n de x t e m a li n t e r f a c ec i r c u i to f c a n e t h e m e ti n t e r c o n n e c t i o n s y s t e m ， r e a l i z a t i o no fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n m c s - 51m i c r o c o n t r o l l e ra n dc a nb u sm c p 2 510 ； 3 ) t r a n s p l a n to f 心o s i io p e r a t i n gs y s t e mi nl p c 2 2 9 0 ，a sw e l la sd e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no ft h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo fi n t e r c o n n e c t i o ns y s t e m ； 4 ) d e s i g no ft h ec o r es w i t c h i n gm o d u l eo fc a n e t h e m e ti n t e r c o n n e c ts y s t e m ； 5 ) r e a l i z a t i o no fw e bs e r v i c e sw i t hh t t p p r o t o c o l ， a n dr e a l i z a t i o no fr e m o t e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo ff i e l dd e v i c e st h r o u g hw e bp a g e s k e yw o r d s ： c a n b u se t h e m e tt c p i pp r o t o c o la r ma p p l i c a t i o n p c o s i i i v 两华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示感谢。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 7 0 笋掰 两华大学硕十学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密彩适用本授权书。 ( 请在以上口内划、) 学位论文作者签名：朝溉当 日期： d 厂、f 、弓刁 指导教师签名：豸吁影 日期： 口夕厂乡j 两华大学硕士学位论文 1 绪论1 1 1 现场总线技术及测控技术的发展趋势 1 1 1 现场总线技术的发展趋势 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的现 场局域网。它的出现，标志着自动化系统步入一个新的阶段 卯。 现场总线( f i e l d b u s ) 是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它 主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的 数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由 于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多 标准团体和计算机厂商的高度重视。 现场总线是用于生产制造现场的最底层通信网络，它实现了微机化的现场 测量控制仪器或设备之间的双向串行多节点数字通信。现场总线技术的关键是 使自动控制系统与现场设备具备通信能力，将它们连接成网络系统，实现现场 通信网络与控制系统的集成。作为网络系统，它具有开放统一的通信协议。以 现场总线为纽带的现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 是一种 新型的自动化系统和底层控制网络，它承担着生产运行测量和控制的全部任 务。现场总线还可与因特网、企业内部网( i n t r a n e t ) 相连，使自动控制系统与 现场设备成为企业综合自动化系统和信息系统的一个组成部分。 现有的多数现场设备，为提高其性能价格比，在实现其内部操作时都 采用了微处理器和数字化元件，于是就提出了必须在这些领域的数字设备 之间实现数字通信的要求。采用现场总线的目的就是为了满足这种要求， 为工业领域中的测量和调节控制设备提供实现串行数字通信的手段。对于 现场总线，一方面把传统的模拟仪表变成数字仪表，变单一功能为多项功 能，实现现场仪表的互操作和互换信息；另一方面是把d c s ( 分散型控制 系统) 变成f c s ( 现场控制系统) ，在现场建立开放式的现场通信网络， 实现全系统的数字通信网络化【4 】【6 】。 智能仪表的出现为现场信号的数字化提供了条件，但不同厂商提供的设备 通信标准不统一，束缚了底层网络的发展。现场总线要求不同的厂商遵从相同 西华大学硕士学位论文 的制造标准，组成开放的互连网络是现场总线的发展趋势。 从总线技术的发展方向上来看，所有的现场总线最终都将向e t h e m e t 过渡。 许多基于现场总线的控制系统最终都将连接到e t h e m e t ，直至与i n t e m e t 相连 接。工业以太网是工业控制系统的一个发展方向。目前工业以太网还主要应用 在过程监控层，而在现场层则是采用现场总线技术。随着各项技术的发展，以 太网技术正逐渐下移，将走向现场层。 1 1 2 测控技术的发展趋势 测控技术广泛应用于国民经济建设的电信、民航、石油、化工等许多领域。 计算机网络技术的迅速发展，推动着测控技术向着网络化、分布性和开放性的 方向发展。这种发展趋势使测控系统功能的扩展更加灵活，性能不断提高，使 用更加简便。计算机和计算机网络的发展水平直接影响着测控技术的进步。传 统的控制系统基本是以单片机、p c 为核心，总线结构一般采用i s a 、p c i 、s t d 等，这种系统因为采用了集中式控制方式，所以在很大程度上降低了系统的可 靠性，而且现场的连线太多太长，也严重影响了系统的抗干扰能力，成本也比 较高。为了克服这类系统的缺点，出现了集散型控制系统( d c s ) ，d c s 采用多 台微处理机分散在现场进行控制，总线为高速数据通道。受计算机网络技术的 影响，测控网络技术有了长足的发展。全分布式测控网络l o n w o r k s 具有很强 的兼容性、开放性、灵活性和可靠性，传输性能超强。由于l o n w o r k s 设计的 主要思想就是易于使用，适用性强，因此可以在很多测控领域推广应用，而且 具有操作性的新型局域测量控制网络，采用了具有分布控制和通信网络功能的 n e u r o nc h i p s 芯片构成智能测控单元，各智能测控单元通过网络通信媒体互连 成为全分布式测控网络【z 引。 开放化、标准化是现代测控技术发展的趋势。从技术角度来看，开放化测 控技术是现代测控技术发展的一个趋势；从市场角度来看，开放化测控技术也 将成为市场应用的主流。在国内产业结构迅速转变的情况下，推进开放性测控 技术的应用和普及有着十分重要的意义。测控技术的开放化和标准化趋势给了 国内测控行业一个非常好的发展机会，因为国内厂商可以直接接触到开放标准 下的先进测控技术，并融入到这种技术标准之中，而不必要再重新去开发新的 2 西华大学硕士学位论文 技术。随着各种产业的迅速发展，现代测控技术也获得了迅速的发展。纵观其 发展史，走向开放化、标准化就是一个最为明显的趋势【2 5 】。 1 2 嵌入式以太网的发展情况及应用前景 随着信息技术的飞速发展，自动化领域也发生了深刻的技术变革，产生了 开放系统互连的通信网络，形成了全分布式网络集成化系统。网络技术的发展 日新月异，各种设备对网络功能的要求日益增长，因此，嵌入式系统中的通信 功能一成为嵌入式系统的一个重要组成部分。 嵌入式系统具有系统内核小、专用性强、系统精简、高实时性的操作系统 软件等特点，使得其在工业过程控制、交通管理、信息家电及机器人系统等研 究生产领域中得到广泛应用。而在这些应用中，为了实现多个嵌入式微处理器 之间的信息交流，大多利用c a n 、r s 2 3 2 、r s 一4 8 5 等总线将微处理器组网， 这种网络的通信距离比较有限，有关的通信协议也比较少，并且一般是孤立于 i n t e m e t 以外的。嵌入式系统接入i n t e m e t 以后，不仅实现了设备的远程控制、 维护和升级，而且从另一层意义上讲，接入i n t e m e t 的设备已经成为网络共享 资源的一部分【4 2 1 。 以太网一般都基于t c p i p 协议，使得整个网络只有一种底层通讯协议， 可以满足控制系统各个层次的要求，不仅使得企业信息网络和控制网络得到统 一，而且易于和e t h e m e t 实现无缝连接。通常，一个嵌入式系统接入e t h e m e t ， 可选择一个提供t c p i p 协议的嵌入式操作系统，或是在现有操作系统之上加 入t c p i p 协议栈，实现t c p i p 连接。对于嵌入式系统，t c p i p 软件协议栈也 构成了系统成本的一部分，而这部分投入占有不小的比例。同时，软件协议栈 的引入无疑要占用更多的系统资源，对于嵌入式系统来说是可观的。但是对于 嵌入式系统在网络化开发的过程中，首先要解决的就是与以太网络的连接问 题，亦即如何将通用处理器的网络连接装置( 以太网络控制器) 应用于嵌入式 网络的开发。 在互联网络和局域网络飞速发展的今天，计算机进行网络互联的同时，各 种家电设备、仪器仪表、工业生产中的数据采集和控制正在走向网络化。以太 网( e t h e m e t ) 由于它的普遍性及低廉的接口价格，因而已经作为一种最通用的 两华大学硕士学位论文 网络，广泛应用于生产和生活中。另一方面，嵌入式设备在价格、体积及实时 性等方面是通用计算机无法比拟的，也己广泛应用于自动化控制、数据采集、 通信网络等领域。因此，嵌入式以太网技术有着广阔的前景，首先要解决的问 题就是嵌入式以太网接口问题。 嵌入式设备与以太网的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真正未来。特 别是互联网的迅速普及，3 c ( 计算机、通讯、消费电子) 合一的加速，数字化 时代已经来临，嵌入式系统技术的应用日益广泛。嵌入式网络技术具有广阔的 应用前景。另外，随着微电子和嵌入式系统的发展，性能优良的3 2 位处理器 为核心的嵌入式控制系统正在取代微机成为现场总线与以太网互联的主流产 品。根据以上的研究背景，可以看出与嵌入式以太网结合的现场总线控制系统 将是工业控制领域的一个发展方向。 由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应 用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理 层、执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的 趋势。从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业以太网在制造 执行层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。未来工业以太网将在工业企业 综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作 用。总的来说，工业以太网技术的发展趋势将体现在以下几个方面【2 9 】 5 0 】： ( 1 ) 工业以太网与现场总线相结合。 ( 2 ) i 业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋。 1 3 课题来源及研究内容 1 3 1 课题来源 本文研究课题是四川省重点建设学科项目嵌入式远程工业测控系统的开 发( 编号s z d 0 4 0 9 ) 课题的子课题。 1 3 2 研究内容 本文研究目标是实现c a n 测控网络与嵌入式e t h e m e t 之间的信息互联， 信息交互采用嵌入式w e b 服务器的方式，以此为接口实现两种异构网络之间 4 西华大学硕士学位论文 的转换。通过w e b 页面实现对现场设备的远程测控。首先介绍了课题的相关 背景和概念，接着对整个互联系统做出了比较详细的描述，针对嵌入式 c a n e t h e m e t 网关需要实现的功能，提出软硬件设计思想、协议转换模型；给 出硬件的具体实现方案，阐述网关软件的总体框架；并对g c o s i i 操作系统进 行了裁剪，完成其在l p c 2 2 9 0 微处理器上的移植及任务设计：然后，在剖析 t c p i p 协议栈的基础上对其进行了精简与实现，这里采用c g i 的思想实现动 态页面，借助h t t p 协议实现w e b 服务的功能。最后，在测试的基础上进行 了技术总结，为今后更复杂、功能更全面的设计提供了一定的参考。 本文的研究内容主要有以下几个部分： c a n e t h e m e t 互连系统的设计思想以及整体结构设计； 互连系统转换电路及外围接口电路设计，m c s 5 l 单片机与m c p 2 5 1 0 实现c a n 总线通信； l a c o s i i 操作系统在l p c 2 2 9 0 上的移植以及互连系统应用软件设计 实现与探讨； 通过w e b 页面实现对现场设备的远程测控；使用h t t p 协议实现w e b 服务的功能，并通过w e b 页面实现对现场设备的远程测控。 西华大学硕士学位论文 2 系统总体结构及c a n 总线、以太网技术 2 1c a n e t h e m e t 网关总体结构及协议转换思路 2 1 1c a n 总线与以太网互连系统的实现方案 在大型企业自动化系统中，上层企业管理层和生产监控层一般采用的都是 以太网和p c 机，而在下层车间现场都是采用现场总线和单片机测控设备。上 下两层的沟通，通常采用工业控制机加以太网网卡，再加上p c 机插槽上的接 口卡或并行打印口的e p p 接口卡来实现。这种连接方式成本高，开发周期长。 针对这种情况，我们设计一种单独的c a n 以太网网关互连系统，成功地实现 以太网和现有c a n 总线网的直接数据互联。 将各个嵌入式控制模块连接在一起的方法有很多，而以太网具有较好的可 靠性、速度和大量成熟的基础架构。以太网技术与c a n 总线技术相结合的实 现方案大体可以分为以下三种： 方案一，也是最复杂的一种，即由微处理器+ 网络芯片+ c a n 控制器+ c a n 收发器组成转换系统。由于没有任何集成部分，所以每一部分的功能必须由专 门芯片来完成，其系统框图如图2 1 所示。 网络芯片矧徽处理器 j 亡j e 洲吲隔离光耦 c a nl 卜l c a n 控制器卜广1 1 收发器 f i g 2 1 b l o c kd i a g r a mo ft h es y s t e mw i t h o u ti n t e g r a t e dc o n t r o l l e r 图2 1 无集成控制器时系统框图 方案二，由内嵌c a n 控制器的微处理器+ c a n 收发器+ 网络芯片组成一 个转换系统。这样的微处理器可以选用p h i l i p h s 公司的p 8 7 c 5 9 1 ，它集成了 6 西华大学硕十学位论文 p 8 7 c 5 5 4 微控制器和s j a l 0 0 0 独立的c a n 控制器，其系统框图如图2 2 所示。 网络芯片i 刮集成c 州锨处理器 j e、j e 刚4 5 吲编离光耦 c a n 收发器 f i g 2 2 b l o c kd i a g r a mo ft h es y s t e mw i t hc a np r o t o c o l 图2 2 集成c a n 协议时的系统框图 方案三，由内嵌t c p i p 协议的a r m 或m c u + c a n 控制器+ c a n 收发器组成 一个转换系统。这样的a r m 包括p h i l i p s 单片1 6 3 2 位微控制器l p c 2 2 9 0 、三星 的网络控制芯片$ 3 c 4 5 1 0 b 等等，它们是集成了a i 洲7 t d m i 内核的1 6 3 2 位单片 机。符合要求的8 位单片机包括r a b b i t 2 0 0 0 、r a b b i t 3 0 0 0 、r a b b i t 4 0 0 0 和u b i c o m 公司的i p 2 0 2 2 ，其系统框图如图2 3 所示。 a r m 【m c u ( 集t c p i p ) j ej e 刚4 5 吲隔离光耦c 州祧吲蹴 f i g 2 3 b l o c kd i a g r a mo ft h es y s t e mw i t ht c p i pp r o t o c o l 图2 3 集成t c p i p 协议时的系统框图 随着信息技术的飞速发展以及各种新型数据接口技术的出现，接口的兼容 性也会要求也高。为了提高性价比和更好的了解把握两种协议的转换，本人决 西华大学硕士学位论文 定在设计时采用第三种方案，其系统实物图如图2 4 所示。 f i g24p h y s i c a lp i c t u r eo f t h es y s t e m 图2 4 系统实物图 利用广州周立功公司的嵌入式以太网模块构建的嵌入式c a n e t h e m e t 网 关，是一种快捷的方案，可以用较少的资金和较短的时间自行解决了 c a n e t h e m e t 总线平台中的关键设各。 212 c a n 控制网络与以太网的互连结构 互联系统的通信是建立在以太网、t c p i p 和现场总线的混合通信协议之 上，通过网关实现高速计算机网络一以太网和相对低速现场总线的互连，以实 现计算机系统和现场仪表、设备之间的互连和互操作。c a n e t h e m e t 网关总体 结构如图2 5 所示。 西华大学硕士学位论文 f i g2 5 t h e o v e r a l ls t r u c t u r eo f c a n - e t h c n l e t g a t e w a y 图2 5c a n - e t h e m e t 网关总体结构 当监控计算机向现场测控仪表、设备发送信息时，它首先基于以太网和 t c p f l p 协议将信息发送给相应的网关，然后由网关根据现场总线协议发送给相 应的现场仪表、设各。反过来，当现场仪表、设备需要发送信息给计算机时， 需要由网关作为代理，通过以太网和t c p i p 协议转发给相应的计算机。同时， 由于以太尉和i n t e m e t 能够方便地实现互联，系统还支持通过互联网络进行远 程访问。 西华大学硕十学位论文 2 1 3 网关模型 考虑到以太网是现场总线的发展趋势，而在我国目前的技术水平下，完全 采用以太网作为现场总线时机尚未成熟。将以太网和最热门的c a n 总线结合 起来是一种比较好的方案，即从上位监控计算机到工业现场采用以太网，在工 业现场到各个底端节点采用c a n 总线。根据典型的现场总线和以太网的网络 模型，可以提出互联网关的网络参考模型如图2 6 所示。 a t 8 9 s 5 2m c p 2 5 1 0 p 1 7s c k 8 2 c 2 5 0 l p c ：2 2 9 0 p 1 6s i t x d p i 5 s c o s t x c a nt x dc a n h1 卜 r x i ) 篡r 。s 。t r x c a nr x dc a n l卒皿； 8 2 c 2 s 0i u 4 5 jy p 3 2 ( i n t 0 l i n t f i g 2 6s i m p l i f i e dc i r c u i td i a g r a mo fc a n e t h e m e tg a t e w a y 图2 6以太网c a n 网关简化电路图 网关模型包括c a n 总线一以太网( 运行t c p i p 协议) 的协议转换以及通信 管理功能。网关互联网网络模型如图2 7 所示 4 】： 2 2 总 线 f i g 2 7n e t w o r km o d e lo ft h eg a t e w a y 图2 7 网关互联网网络模型 1 0 两华大学硕士学位论文 网关中的现场总线物理层和数据链路层对应各种现场总线网络适配器或 者是总线收发器，提供对相应总线的访问及满足各种通讯介质的需要。应用层 下面的t c p i p 协议层和以太网层对应用程序是完全透明的。 2 1 4 协议转换 从网关模型的设计和协议转换方案可以看出，整个系统的通信是建立在以 太网、t c p i p 、现场总线的混合通信协议基础上，通过网关实现高速局域网与 低速现场总线的互联。其中，网关负责完成最基本的转换功能，包括物理层的 连接以及c a n e t h e m e ( t c p h p ) 协议的转换。经过网关重新打包的数据可以 与任何使用标准以太网的局域网互联，也可以直接与广域网( i n t e m e t ) 互联 2 5 1 【3 0 】 3 1 】。有现场测控设备发送数据给监控计算机的数据处理设计思路如图2 8 所示： 发送到监控计算机 以太网帧头i p 报头t c p 报头用户数据、地址以太网校验 气 i p 报头t c p 报头用户数据、地址 - 用户数据、地址 弋 帧起始仲裁区数据和扩展2 9 a t 立标识符c a c 区帧结尾 f i g 2 8 d a t ap a c k a g i n go fp r o t o c o lc o n v e r s i o n 图2 8 协议转换数据封装 c a n 总线规范只定义了o s i 模型中的数据链路层和物理层，进行协议转 换的基本思路就是： 西华大学硕士学位论文 1 接收c a n 数据帧，拆包后提取数据区的数据； 2 通过t c p i p 协议栈将数据封装在t c p 数据包中； 3 通过以太网发送数据。 2 2c a n 总线概述 2 2 1c a n 总线的特点【5 】【8 】 1 8 【4 7 】 控制器局域网c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ，以下简称c a n 总线) ，属于 现场总线范畴，是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。最初 是由德国b o s c h 公司为汽车的监测和控制而设计的，后来逐步发展到用于其 他工业部门的控制。其应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络等控制 领域目前c a n 总线已经形成国际标准化组织的i s 0 118 9 8 标准。 c a n 属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的技术， 与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和 灵活性。其特点可概括如下： ( 1 ) c a n 为多主方式工作，网络上任何一个节点均可在任意时刻主动向网 络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，并且无需站地址等节点 信息。利用这一点可方便的构成多机备份系统。 ( 2 ) c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同实时要求，高 优先级的数据最多也能在很短的时间内得到传输。 ( 3 ) c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时， 优先级较低的节点会主动退出发送，而优先级高的节点可以不受影响的继续传 输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其在网络负载很重的情况下也 不会出现网络瘫痪的情况。 ( 4 ) c a n 只需通过报文过滤便可以实现点对点、一点对多点及全局广播等 多种方式传送数据。 ( 5 ) c a n 直接通信距离最远可达到1 0 k i n ( 速率在5 k b p s 以t ) ，在通信距离 为4 0 m 以内时，通信速率最高可达到1 m b p s 。 ( 6 ) c a n 节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达到11 0 个，如果需要更 多节点，可以利用中继器，实现网络节点的增加和传输距离的延长。 西华大学硕士学位论文 ( 7 ) 采用短帧结构，一次传送的字节最多为8 个。传输时间短，受干扰概率 低，具有良好的检错效果。 ( 8 ) c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其它校验措施，保证了数据出错率 低，同时降低了应用程序的复杂程度，从而使通信更加可靠。 ( 9 ) c a n 物理层对传输介质没有规定，通信介质可以为双绞线、同轴电缆 或光纤，选择灵活。 ( 1 0 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭节点输出功能，以使总线 上其它节点的操作不受影响。 c a n 总线取消了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。 数据块的标识符有11 位c a n 2 0 a 通信协议或2 9 位c a n 2 0 b 通信协议。二 进制数表示，因此理论上可以定义2 或2 个不同的数据块。这种按数据块 编码的方式还可以使不同的节点同时收到相同的数据，这在分布式控制领域非 常有用。 u f i g 2 9 t h ee x p r e s s i o no f b i t l e v e lc a nb u s 图2 9c a n 总线位电平表示 c a n 总线中的总线数值为两种互补逻辑数值之一：“隐性”或者“显性”。“显 性”数值表示逻辑0 ”，隐性数值表示逻辑“1 ”，如图2 1 所示。“隐性”和“显性” 位同时发送时，最后总线数值为“显性”。在总线空闲或“隐性”期间，发送“隐 性”状态，“显性”状态以大于最小阈值的差分电压表示。在隐性状态下，总线 被固定于平均电压电平，近似为0 ，在“显性”位期间，“显性”状态改写“隐性” 状态并发送。 两华大学硕七学位论文 2 2 2c a n 总线的分层结构 c a n 总线按照o s i 模型可分为三层：应用层、数据链路层和物理层，如图 2 9 所示。 应用层 数 据 链 路 层 l l c 逻辑链 路控制子层 m a c 媒体访问 控制子层 物 理 层 物理信令 物理媒体附属装置 媒体相关接口 故障界定 总线故障管理 f i g 2 1 0 h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo f c a nb u s 图2 1 0c a n 总线分层结构 按照i e e e 8 0 2 2 和8 0 2 3 标准，数据链路层又分为： 逻辑链路控sj j ( l l c l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 媒体访问控制( m a c m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 物理层又分为： 物理信令( p h y s i c a ls i g n a l i n g ) 物理媒体附属装置( p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) 媒体相关接i s l ( m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) l l c 子层提供的功能包括：帧接收过滤、过载通告和恢复管理。 ( 1 ) 帧接收过滤：帧内容由标识符命名，标识符并不能指明帧目的地，只 是说明该帧的含义，总线上的节点都会收到该帧数据，而数据与节点是否有关 则要看节点接收过滤器的配置了。 ( 2 ) 过载警告：如果接收器内部条件要求延迟下一个数据帧或远程帧的到 来，贝, u l l c 子层就开始发送超载帧。最多可产生两个过载帧，以延迟下一个数 据帧或远程帧。 1 4 西华大学硕士学位论文 ( 3 ) 恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，l l c 子层负责 对这些帧的重发，只有在正确发送了该帧后，发送服务才被认可。 m a c 子层借助“故障界定实体”进行监控，故障界定是判别总线上干扰和故障 的一种机制。物理层借助检测和管理物理媒体的故障实体进行监控。l l c 和 m a c 两个同等的协议实体通过交换帧或协议数据单元( p d u p r o t o c o ld a t au n i t ) 相互通信。 2 2 3c a n 总线的信息协议格式i s ( 1 ) 帧格式 c a n 总线上的帧有两种不同的格式：标准帧和扩展帧。标准帧有1 1 位标 识符，扩展帧有2 9 位标识符。其中扩展帧兼容标准帧，即在c a n 总线上，两 种帧格式可以同时出现在总线上。 ( 2 ) 帧类型 信息传输由4 种不同的帧类型来表示和控制，这四个类型是：数据帧、远 程帧、过载帧和错误帧。 数据帧用于在总线上传输数据信息。数据帧格式如图2 1 1 所示，它由帧起始、 仲裁域、控制域、数据域、校验( c r c ) 域、应答域、帧结尾等七部分组成。 帧同空同。i 薇琚顿 。颤同空同 f i g 2 11 f o r m a to ft h ed a t af r a m e 图2 1 1 数据帧格式 帧起始标志着数据帧和远程帧的开始，它由一个单一的“显性”位即逻辑0 组成。在标准帧中，仲裁域有1 l 位标识符和一个远程请求位；在扩展帧中，仲 裁域有2 9 位标识符、s r r 位、i d e 位和远程请求位( r t r ) 组成。仲裁域用于 西华大学硕十学位论文 在节点发送时通过竞争获得总线的使用权。 控制域由6 个位组成，在标准格式中，控制域结构包括数据长度、i d e 位 和保留位m 。而在扩展格式中控制域包括数据长度、保留位r 1 和r o 。数据长度 用于指示本帧数据中发送的数据字节的长度，数据长度有4 位宽，由于c a n 总 线上传输的帧数据最长8 字节，因而这4 位宽最多只能表示9 种可能的长度，即 数据帧长度允许的数据字节数为： 0 、1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 ，其它数值 不允许。 数据域n 0 8 个字节组成，发送的位顺序是高位先发。 c r c 校验包括一个c r c 序列和一个c r c 分界符。 a c k 包括两个位，1 个位是a c ks l o t ( 应答跟踪) 位，另一个位是a c k 分界符。在应答域的发送位置处发送两个逻辑电平“1 ”，节点在正确地接收了 一条有效的信息后，会在a c ks l o t 期间发送一个逻辑电平0 ，以通知发送 方信息被正确接收。 帧结尾：每个数据帧或远程帧被一个由7 个隐性电平组成的标志序列隔开。 远程帧由发送方发起，用于请求标识符指定的接收方的信息反馈。远程帧的格 式如图2 1 2 所示。 i陨i 哪至1 日jl 帧阊空同 数据帧 一讨载响 l 帧起始仲裁场控制场c r c 场应答场帧结尾 f i g 2 12 f o r m a to ft h er e m o t ef r a m e 图2 1 2 远程帧格式 错误帧由总线上任一节点发送，用于标识总线上的信息发生错误。错误帧 的格式如图2 1 3 所示。其中错误标志叠加是总线上的节点在接收到错误时共 同发送的位的叠加，因而旦总线上发生错误，则所有的节点都会检测到这个 错误。 1 6 西华大学硕士学位论文 数据帧l错误帧 帧问空间或 4 - t 翁h 错误标志 f i g 2 13 f o r m a to f t h ee r r o rf r a m e 图2 1 3 错误帧格式 过载帧在先前的数据帧或远程帧和发送成功的数据帧或远程帧之间提供 额外的延迟。过载帧格式如图2 1 4 所示。 帧结尾或错误界定帧同空同或 符或过载界定符f 过载帧 i 过载帧 1 j 帷 卜上一 i 过载界定符 过载标志的叠加 f i g 2 14f o r m a to ft h eo v e r l o a df r a m e 图2 1 4 过载帧格式 过载帧与错误帧的格式一样，在过载标志部分，都是由各个节点的过载标 志叠加，因而一旦过载，总线上所有的节点都会检测到该信息。 2 3 以太网技术 以太网( e t h e m e t ) 是2 0 世纪7 0 年代研制开发的一种基带局域网技术，采用 载波多路访问和冲突检测( c s m s c d ) 机制。以太网最早是由x e r o x 、d e c 和 i n t e r 三家公司共同研制的局域网，1 9 8 0 年三家公司联合起草了以太网标准， 并于1 9 8 2 年发表了第2