嵌入式CAN-Ethernet接入網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要:針對煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中 CAN現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)互聯(lián)的需求,采用 32位 RISC ARM處理器，設(shè)計了 CAN-Ethernet嵌入式接入網(wǎng)關(guān)，運行在 Linux嵌入式實時操作系統(tǒng)上。詳細(xì)介紹了網(wǎng)關(guān)的硬件與軟件設(shè)計方案，實現(xiàn)了 CAN總線與以太網(wǎng)的無縫連接。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用驗證，該網(wǎng)關(guān)較好地完成了兩種網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)通信。

1引言

現(xiàn)場總線 CAN-bus最早由德國 Bosch公司提出，主要用于汽車內(nèi)部單元與控制中心之間的數(shù)據(jù)通信[1]，由于其在網(wǎng)絡(luò)開放性、通訊可靠性、數(shù)據(jù)傳輸實時性、系統(tǒng)設(shè)計成本、系統(tǒng)擴展能力、糾錯能力等方面具有強大的優(yōu)勢，使得 CAN現(xiàn)場總線越來越受到人們的關(guān)注。而且基于開放的現(xiàn)場總線 CAN-bus技術(shù)，構(gòu)建煤礦行業(yè)的通訊網(wǎng)絡(luò)，或開發(fā)特定功能的通訊設(shè)備，都已經(jīng)不會存在技術(shù)上的門檻。CAN-bus本身也是符合本質(zhì)安全要求的，所以當(dāng) CAN-bus應(yīng)用于煤礦通訊系統(tǒng)時，也立即獲得了廣大設(shè)備用戶的認(rèn)可，成為煤礦行業(yè)中首選的設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)，通過由 CAN-bus構(gòu)建的煤礦現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，管理者和主控設(shè)備能即時了解、處理當(dāng)前的礦井情況，發(fā)覺事故隱患，避免危機的發(fā)生。同時，煤礦系統(tǒng)中工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)也日趨成熟。CAN-bus現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)互連，既能保證工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的可靠實時傳輸，又能滿足數(shù)據(jù)信息的分析、記錄、管理以及遠(yuǎn)程共享管理，推進(jìn)煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和開放性，實現(xiàn)現(xiàn)代化煤礦的綜合自動化。而 CAN-bus和以太網(wǎng)采用的是不同的通信標(biāo)準(zhǔn)，要實現(xiàn)它們之間的互聯(lián)就要通過總線標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換設(shè)備(即網(wǎng)關(guān))來實現(xiàn)。

本文設(shè)計開發(fā) CAN-Ethernet網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的井下 CAN總線設(shè)備與以太網(wǎng)的互連互通，從而將現(xiàn)場總線設(shè)備接入到無處不在的 Internet網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)十公里以外，乃至整個地區(qū)的數(shù)據(jù)采集和管理滿足煤礦行業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化管理要求。2硬件設(shè)計

本網(wǎng)關(guān)的硬件部分主要由協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、CAN總線接口模塊和以太網(wǎng)接口模塊等部分組成。本網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)還提供了 RS232接口模塊，用來在調(diào)試過程中與 PC機進(jìn)行通信，串口作為控制臺輸入調(diào)試命令，顯示調(diào)試結(jié)果。內(nèi)置工業(yè)級電源系統(tǒng)，支持?jǐn)U展電源輸出，用于為其他設(shè)備提供電源。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊是嵌入式網(wǎng)關(guān)的核心，由嵌入式微處理器及大容量的存儲系統(tǒng)組成。微處理器采用 S3C2410A，S3C2410A是三星公司推出的基于 ARM920T內(nèi)核的 16/32位 RISC嵌入式微處理器。配置了兩片 HY57V561620并聯(lián)構(gòu)成的 32位 64MB SDRAM存儲系統(tǒng)，存放系統(tǒng)運行時的用戶數(shù)據(jù)、堆棧等信息。FLASH選用一片 64M的 K9F1208U0B，它是一款 NAND flash存儲器，用來存放用戶應(yīng)用程序、嵌入式操作系統(tǒng)及現(xiàn)場總線傳輸來的數(shù)據(jù)

2.2 CAN總線接口模塊

CAN總線接口模塊實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與 CAN總線設(shè)備的互聯(lián)。網(wǎng)關(guān)的 CAN總線接口采用的是兩片SJA1000CAN總線控制器和兩片 TJA1050高速 CAN收發(fā)器。此外，在煤礦井下環(huán)境中，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，電路中要采用光電隔離技術(shù)將嵌入式網(wǎng)關(guān)內(nèi)部電路與現(xiàn)場總線進(jìn)行電氣隔離，保護(hù)網(wǎng)關(guān)的正常準(zhǔn)確工作，因此在 CAN控制器與收發(fā)器之間使用光耦 6N137進(jìn)行隔離，在光耦前后需要采用 2個相互隔離的 DC5V電源，本系統(tǒng)選用 B0505S-1W DC-DC變換器，實現(xiàn)系統(tǒng)與外界的真正隔離，抑制干擾的串入。SJA1000與微處理器的接口是以外部存儲器的方式，數(shù)據(jù)線與地址線共用，基地址由 SJA1000的片選信號 CS決定,本設(shè)計中其地址定義在 BANK5中，因此使用此基地址加上 SJA1000內(nèi)部寄存器地址的偏移量就可以訪問 SJA1000內(nèi)部 RAM空間;SJA1000的模式輸入引腳(MODE)接正 5V電源，使其在 intel模式下工作;將 SJA1000的中斷輸出 INT引腳分別接 S3C2410A的 INT16和 17，使得數(shù)據(jù)接收采用了中斷方式。

2.3以太網(wǎng)接口模塊

自適應(yīng)以太網(wǎng)接口模塊提供了網(wǎng)關(guān)接入以太網(wǎng)的接口。以太網(wǎng)控制器采用DM9000，它具有高度的集成性，具有獨特的 Packetpage結(jié)構(gòu)可自動適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通信量模式的改變和現(xiàn)有系統(tǒng)資源，使網(wǎng)關(guān)以 10Mb/s或 100Mb/s的速率接入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。DM9000與 CPU按照16位方式連接，以太網(wǎng)控制芯片復(fù)位后默認(rèn)工作方式為 I/O連接。

3軟件設(shè)計

本網(wǎng)關(guān)的設(shè)計采用了基于消息隊列的多線程以及多進(jìn)程的方式，實現(xiàn)了CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)和以太網(wǎng)通信的同步;以太網(wǎng)通信程序采用流行的 socket套接字編程，傳輸層協(xié)議選擇UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)。要實現(xiàn)進(jìn)程間通信，可以通過管道、信號量、消息隊列及共享內(nèi)存區(qū)等多種方式，在不同的系統(tǒng)中使用時各有優(yōu)點，文獻(xiàn)[2]中提出，經(jīng)測試，對于小消息(100字節(jié)左右)，在除了darwin6.6以外的所有系統(tǒng)中，system Ⅴ消息隊列性能最好。而網(wǎng)關(guān)中每次收發(fā)的數(shù)據(jù)也在 100個字節(jié)以內(nèi)。所以本設(shè)計中使用system Ⅴ消息隊列在進(jìn)程間傳送數(shù)據(jù)。

在軟件設(shè)計上可將其分為兩大部分：CAN總線設(shè)備通信程序進(jìn)程(主程序)和協(xié)議轉(zhuǎn)換及以太網(wǎng)通信程序進(jìn)程(server)。

3.1 CAN總線設(shè)備通信程序

主程序中，初始化包括模式寄存器MOD、命令寄存器CMR、狀態(tài)寄存器SR、總線定時寄

存器BTR0，BTR1、驗收代碼寄存器ACR、驗收屏蔽寄存器 AMR和輸出控制寄存器 OCR等的設(shè)置。下面將創(chuàng)建 3個線程，CAN數(shù)據(jù)接收線程(CAN.receive)、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送線程(CAN.send)和調(diào)用 server進(jìn)程的線程。這就保證了兩個 CAN口能分別同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù),網(wǎng)關(guān)同時也能與上位機軟件通信。

CAN.receive線程 ： for(;;) {if CAN0口有數(shù)據(jù)

break;} read(ca,rcvbuf,0);//從底層現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中接受各種智能設(shè)備采集的實時數(shù)據(jù)或報警信息，將其存入緩沖區(qū)，然后將 rcvbuf中數(shù)據(jù)放入 msg0.buffer

msgsend(msgid,msg0,sizeof(struct msgtype0),0);//將數(shù)據(jù)發(fā)送到消息隊列 0中。這里發(fā)送到消息隊列上的數(shù)據(jù)包括 CAN報文的 ID識別碼，RTR幀等信息，即不解析收到的CAN數(shù)據(jù)包內(nèi)容，直接將其發(fā)送到消息隊列 0

CAN.send線程： msgrecv(msgid,msg1,sizeof(struct msgtype1),2,0);//從消息隊列1中讀取數(shù)據(jù) 添加本地 CAN地址，寫入發(fā)送緩沖區(qū)sendbuf; write(ca,sendbuf,1);//將從緩沖區(qū)中讀取的數(shù)據(jù)通過 CAN1口發(fā)送到目的CAN節(jié)點當(dāng)然,也可以只用一個 CAN口實現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)收發(fā),但這時要注意防止 CAN口的收發(fā)沖突,

這就要加入互斥鎖[3]。 CAN總線設(shè)備通信程序主要流程如圖 2所示。

3.2協(xié)議轉(zhuǎn)換及以太網(wǎng)通信程序

我們知道，CAN協(xié)議為了提高實時性采用了短幀結(jié)構(gòu)，而以太網(wǎng)幀相對要長得多;CAN協(xié)議采用載波偵聽多路存取/消息優(yōu)越仲裁(CSMA/AMP)機制解決沖突，而以太網(wǎng)幀采用CSMA/CD機制。這兩點構(gòu)成了 CAN與以太網(wǎng)之間的主要差異，也使得 CAN-Ethernet網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)換協(xié)議復(fù)雜度提高，但由于本系統(tǒng)中采用了 Server/Client的通信服務(wù)模式，網(wǎng)關(guān)即作為服務(wù)端，相對于文獻(xiàn)[4]省去了網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通信這一過程,所以轉(zhuǎn)換協(xié)議也相對較簡單。

在本系統(tǒng)中，由于網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)的是 CAN總線報文和 UDP報文的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，任務(wù)相對簡單，因此傳輸層協(xié)議選擇較為簡潔的 UDP協(xié)議，建立無連接的服務(wù)端。服務(wù)端首先確立端口號，通過調(diào)用 Socket建立套接字，然后使用 bind綁定本地地址，通過調(diào)用 sendto()和 recvfrom()就可以向以太網(wǎng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 定義 Socket地址常用的是 sockaddr_in結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)如下所示： struct sockaddr_in {

在本系統(tǒng)中，Socket地址定義為gatewayAddr，端口號設(shè)置為8888。不同的計算機存放多字節(jié)值的順序不同，有的計算機在起始地址存放低字節(jié)，有的則起始存放高字節(jié)，為了程序的可移植性，需要將主機字節(jié)順序轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序。調(diào)用htons()將端口號 8888轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序，然后賦值給 gatewayAddr.sin_port。gatewayAddr.sin_addr. s_addr定義了主機的 IP地址，在本系統(tǒng)中并不關(guān)心主機的 IP地址，故將主機的 IP設(shè)置為INADDR_ANY，即可以偵聽局域網(wǎng)內(nèi)的任一主機的報文。

協(xié)議轉(zhuǎn)換與以太網(wǎng)通信程序流程如圖 3所示。

if有udp報文到達(dá){ recvfrom(gatewayfd,rcvbuf1,sizeof(rcvbuf1),0,(structsockaddr *)cliaddr, clilen);//接收以太網(wǎng)報文

將rcvbuf1內(nèi)數(shù)據(jù)放入消息隊列msg1.buffer;}

else if 消息隊列 0有 CAN報文 //通過判斷 CAN報文標(biāo)志位來實現(xiàn)

{ msgrcv(msgid,msg0,sizeof(struct msgtype0),1,0);//接受消息隊列 0中數(shù)據(jù)

置位 CAN報文標(biāo)志位;

將消息隊列值讀入rcvbuf0;

sendto(gatewayfd,rcvbuf0,sizeof(struct rcvbuf0),(struct sockaddr *)cliaddr,clilen); }//將 UDP報文發(fā)送到以太網(wǎng)

else return;

4應(yīng)用

該網(wǎng)關(guān)應(yīng)用于基于 CAN總線的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和測控設(shè)備接入以太網(wǎng)的場合，已經(jīng)在江蘇徐州大屯煤電公司姚橋煤礦得到了應(yīng)用，目前設(shè)備運行良好。應(yīng)用本網(wǎng)關(guān)可以解決現(xiàn)場總線設(shè)備接入以太網(wǎng)的問題，真正實現(xiàn)了大范圍的數(shù)據(jù)采集和管理，滿足了煤礦企業(yè)的現(xiàn)代化管理要求。CAN-Ethernet網(wǎng)關(guān)在井下監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中的位置如圖 4所示。

5結(jié)束語

本文的創(chuàng)新點：本文設(shè)計的 CAN-Ethernet網(wǎng)關(guān)，采用ARM 處理器，軟件上采用消息隊列機制實現(xiàn)不同進(jìn)程間通信，實現(xiàn)了基于CAN總線的煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)與礦井綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)的互聯(lián),為煤礦企業(yè)信息化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。本設(shè)計實現(xiàn)的 CAN-Ethernet通信程序，無須另外添加轉(zhuǎn)換接口設(shè)備，在原有硬件基礎(chǔ)上僅通過軟件修改即可實現(xiàn) CAN與以太網(wǎng)的互聯(lián)。