基于CAN總線與CAN以太網網關互連系統的設計

基于CAN總線與CAN以太網網關互連系統的設計

1、 引言

2 、 系統總體設計

CAN總線是一個設備互連總線型控制網絡。在CAN總線上可以掛接多達110個設備節點，各設備間可以自主相互通信，實現復雜網絡控制系統。但設備信息層無法直接到達信息管理層，要想設備信息進入信息管理層就要通過一種數據網關。

協議轉換是異構網絡互連的技術關鍵和難點，協議轉換一般可采用分層轉換的方法，自低向上逐層進行。目前互連大都是在網際層或網絡層展開的，因而必須對互連層以下各層協議逐層向上轉換，這種轉換方法的依據是協議分層的基本原理：即低層支持高層，高層調用低層，低層斷開連接后，高層連接也隨之斷開，但高層斷開連接卻不會影響低層。從網絡的分層結構上來看，我們設計的互連系統具有如圖一所示的分層結構。以太網上運行TCP/IP協議，它具有應用層、傳輸層、網絡層、以太網數據鏈路層和物理層；CAN總線具有應用層、數據鏈路層和物理層，其中應用層由用戶自己定義，數據鏈路層和物理層由CAN協議所定義；SX52數據網關具有物理層、數據鏈路層和應用層，其應用層也就是ETHERNET與CAN的信息數據交換層，SX52微控制器在此層相互解釋并轉發這兩種不同協議的數據。

3 、 CAN協議分析

CAN是遵從OSI模型，按照OSI基準模型，CAN結構劃分為兩層：數據鏈路層和物理層。按照IEEE802.2和802.3標準，數據鏈路層又劃分為：

LLC子層提供的功能包括：幀接收濾波、超載通告和恢復管理。其中，超載通告功能是如果接收器內部條件要求延遲下一個LLC數據幀或LLC遠程幀，則通過LLC子層開始發送超載幀最多可產生兩個超載幀，以延遲下一個數據幀或遠程幀。

按照網絡的OSI七層模型來看，CAN總線網絡完成了最下面兩層協議的工作，即物理層和數據鏈路層，它們由CAN控制器的硬件實現電平轉換和幀的封裝。在實際應用中，還需要建立自己的上層協議。這里設計了一種簡單實用的“命令項+數據項”結構，其完整數據幀結構如圖二所示。

4 、 SX52的TCP/IP協議棧的設計

ARP協議可以實現邏輯地址到物理地址的動態映射。以太網接口支持一個唯一的48-bit的物理地址。在SX52中，ARP協議是通過一個“IP地址對應以太網地址”的單登記核實現。當遠程主機需要知道它的物理地址時，遠程主機會向它發送ARP請求，這時它就會響應這個遠程主機的請求，告訴對方自己的物理地址。當應用層需要傳輸IP數據包時，SX52 ARP協議也可以請求遠程目的物理地址。

TCP向應用層提供一種面向連接的、可靠的字節流服務。在面向工業控制上的應用時，可以對復雜的TCP協議做合理的簡化，因為CAN網絡傳輸速度較快，數據量小且l0Mpbs的以太網傳輸一般不會發生阻塞，以太網上的主機也會有足夠的能力及時處理通信數據。所以可以固定超時與重傳的時間為5s，此外RTL8019AS上有兩個1500字節的接收緩沖區，且CAN網絡為控制網，信息量小，所以可以固定接受窗口為1400字節。設計中采用一般的TCP服務就可以滿足應用，所以可以忽略緊急指針和選項和填充字段的值。通過上述的三點簡化，實際上大大簡化了TCP協議的實現，因為TCP的超時與重傳的時間的確定和窗口大小的控制有著較復雜的算法和實現機制。

5、 創新點總結

本文的創新點是針對傳統工業控制自動化現場總線連接方式成本高，開發周期長的不足之處，設計一種單獨的CAN以太網網關互連系統，成功地實現以太網和現有CAN總線網的直接數據互聯。現場總線通過與因特網、企業內部網相連，使自動控制系統與現場設備成為企業綜合自動化系統和信息系統的一個組成部分。系統在開放性、互操作性、現場設備智能化、系統結構、對現場環境適應性等性能方面得到了很大的提高，成功實現兩個異類網絡的數據通信。

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