基于LPC2294的CAN與以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互聯(lián)的設(shè)計(jì)

如圖3所示，該網(wǎng)關(guān)中規(guī)定的以太網(wǎng)幀格式包括5部分，按照封裝的先后順序分別為：封裝的數(shù)據(jù)(如本系統(tǒng)中的CAN數(shù)據(jù)幀等)、自定義UDP首部、標(biāo)準(zhǔn)UDP／TCP首部、IP首部、以太網(wǎng)首部和最終校驗(yàn)。本系統(tǒng)中主要采用的是UDP協(xié)議，目的是為了自定義控制字來(lái)區(qū)別不同類(lèi)型的報(bào)文，包括有：CAN數(shù)據(jù)報(bào)文、時(shí)統(tǒng)報(bào)文、工作狀態(tài)請(qǐng)求報(bào)文、心跳報(bào)文及設(shè)備故障診斷信息報(bào)文。其中時(shí)統(tǒng)報(bào)文是在開(kāi)機(jī)時(shí)或每30分鐘系統(tǒng)發(fā)送的對(duì)時(shí)請(qǐng)求。工作狀態(tài)報(bào)文是在各設(shè)備開(kāi)機(jī)或復(fù)位并正常工作后自動(dòng)發(fā)送的，還有收到詢(xún)問(wèn)報(bào)文或狀態(tài)改變后發(fā)送，主要發(fā)送時(shí)戳和設(shè)備ID信息。心跳報(bào)文是在各設(shè)備開(kāi)機(jī)或復(fù)位并正常工作后，每5 s周期發(fā)送，作用是通知其所在的網(wǎng)絡(luò)，是否工作狀態(tài)正常。設(shè)備故障診斷信息報(bào)文是當(dāng)接收到故障診斷請(qǐng)求報(bào)文或網(wǎng)關(guān)根據(jù)CAN板卡數(shù)據(jù)接收情況，自行檢測(cè)到網(wǎng)關(guān)箱內(nèi)該板卡故障情況的變化，一般網(wǎng)關(guān)在30分鐘內(nèi)未收到參數(shù)設(shè)置報(bào)文中指定的CAN板卡對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程幀等，可認(rèn)定此節(jié)點(diǎn)故障，并發(fā)送故障信息報(bào)文。這增添了系統(tǒng)的一些管理信息，根據(jù)不同的報(bào)文類(lèi)型完成系統(tǒng)不同的通信功能。自定義UDP封裝格式如圖4所示。

在自定義UDP封裝格式中，字節(jié)0～3為固定的幀頭信息，用以識(shí)別本網(wǎng)關(guān)模塊的數(shù)據(jù)報(bào)信息，無(wú)論是CAN報(bào)文、時(shí)統(tǒng)報(bào)文或工作狀態(tài)請(qǐng)求報(bào)文均使用該格式，若不符合該幀頭的數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)關(guān)模塊不進(jìn)行處理。需注意的是，第20 bit開(kāi)始才是真正的數(shù)據(jù)，每個(gè)信息單元均有各自的序號(hào)、標(biāo)識(shí)和長(zhǎng)度等信息。其中信元的序號(hào)表示該信元在UDP數(shù)據(jù)報(bào)中的位置；標(biāo)識(shí)代表信息單元內(nèi)報(bào)文的類(lèi)型。
2．2 程序設(shè)計(jì)
網(wǎng)關(guān)模塊的主要功能是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包與CAN數(shù)據(jù)幀之間的格式相互轉(zhuǎn)換，進(jìn)而完成以太網(wǎng)和CAN網(wǎng)絡(luò)間通訊。本模塊使用嵌入式μC／OS—II作為操作系統(tǒng)，通過(guò)裁剪、移植使其能順利運(yùn)行于LPC2294控制器。另外，在系統(tǒng)中移植了TCP／IP協(xié)議的核心功能函數(shù)，并編寫(xiě)了6個(gè)任務(wù)函數(shù)，使其分工合作實(shí)現(xiàn)了模塊的各項(xiàng)功能，并通過(guò)μC／OS—II系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度管理機(jī)制來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)資源的分配。
系統(tǒng)首先建立設(shè)備初始化任務(wù)Task0，將該任務(wù)函數(shù)主要完成上電自檢，兩路CAN故障自檢，網(wǎng)口斷線(xiàn)檢測(cè)，本機(jī)IP、兩路CAN波特率及兩路網(wǎng)口等網(wǎng)關(guān)參數(shù)的初始化。在完成以上工作后，創(chuàng)建5個(gè)子任務(wù)，按優(yōu)先級(jí)由高到低依次為T(mén)askB、TaskC、TaskF、TaskD、TaskE的5個(gè)子任務(wù)的具體功能如下：
TaskB：主要功能為接收UDP報(bào)文并解析，下發(fā)至CAN；若接收到時(shí)統(tǒng)報(bào)文，按照協(xié)議解析，并將時(shí)戳信息寫(xiě)入時(shí)鐘芯片。
TaskC：主要功能為接收TCP報(bào)文，按照協(xié)議解析并下發(fā)到CAN。
TaskD：完成接收CAN1口或CAN2口的數(shù)據(jù)，根據(jù)規(guī)定的傳輸方式將數(shù)據(jù)封裝成報(bào)文格式，并發(fā)送至以太網(wǎng)。
TaskE：完成接收CAN1口或CAN2口的數(shù)據(jù)，并按照TCP傳輸方式，將數(shù)據(jù)封裝并發(fā)送到以太網(wǎng)。
TaskF：主要功能為定時(shí)發(fā)送特殊報(bào)文，如：心跳報(bào)文、時(shí)統(tǒng)報(bào)文、工作狀態(tài)請(qǐng)求報(bào)文及設(shè)備故障診斷信息報(bào)文等，完成網(wǎng)關(guān)模塊的工作狀態(tài)檢測(cè)及參數(shù)配置等功能。
5個(gè)子任務(wù)創(chuàng)建完成后，TaskB和TaskC進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待各自的信號(hào)量RecUdpQFlag和RecTcpQ一Flag，由于這兩個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)較高，說(shuō)明網(wǎng)關(guān)模塊優(yōu)先轉(zhuǎn)換以太網(wǎng)向CAN總線(xiàn)方向的數(shù)據(jù)。因此，當(dāng)以太網(wǎng)中有數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)根據(jù)報(bào)文的類(lèi)型可得到相應(yīng)的信號(hào)量，TaskB或TaskC立即進(jìn)入就緒狀態(tài)等待執(zhí)行，若當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)優(yōu)先級(jí)低于這兩個(gè)任務(wù)，TaskB和TaskC可進(jìn)行搶占執(zhí)行。當(dāng)網(wǎng)關(guān)模塊未收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)或處理完成后，任務(wù)函數(shù)TaskF檢測(cè)模塊的定時(shí)器，判斷是否需要發(fā)送工作狀態(tài)報(bào)文和心跳報(bào)文等特殊報(bào)文。執(zhí)行完成后，判斷CAN節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)，并選擇用UDP或TCP方式發(fā)送到以太網(wǎng)，即選擇執(zhí)行TaskD或TaskE，完成CAN向以太網(wǎng)方向的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，在此期間允許TaskB和TaskC進(jìn)行搶占執(zhí)行。系統(tǒng)通過(guò)調(diào)度這5個(gè)任務(wù)函數(shù)完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包與CAN數(shù)據(jù)幀間的格式轉(zhuǎn)換與傳輸，該程序流程如圖5所示。

3 測(cè)試
將該上位機(jī)IP地址設(shè)置為192．1．1．11，打開(kāi)網(wǎng)關(guān)參數(shù)設(shè)置界面對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如：網(wǎng)關(guān)參數(shù)回復(fù)IP地址、網(wǎng)關(guān)參數(shù)回復(fù)端口、網(wǎng)關(guān)模塊IP地址、網(wǎng)關(guān)接收端口號(hào)和CAN數(shù)據(jù)目標(biāo)IP地址等參數(shù)。隨后將CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文測(cè)試軟件ZLGCANTest打開(kāi)，設(shè)置CAN總線(xiàn)的波特率為250 khit·s-1，將CAN報(bào)文發(fā)出后用ZLGCAN—Test、TcpUdp測(cè)試工具及EtherPeek NX軟件來(lái)查看網(wǎng)絡(luò)的通信情況。圖6便是由ZLGCANT est軟件所得到的，從圖中可知，CAN發(fā)送數(shù)據(jù)的幀類(lèi)型是擴(kuò)展幀，幀格式是數(shù)據(jù)幀，幀ID為0x0000 0000，每個(gè)CAN協(xié)議中發(fā)送8 bit的數(shù)據(jù)。而圖7是通過(guò)TcpUdp測(cè)試工具得到的數(shù)據(jù)，并已在圖中標(biāo)出，此報(bào)文頭由Etherner協(xié)議報(bào)文頭、IP協(xié)議報(bào)頭、UDP協(xié)議報(bào)頭和自定義UDP報(bào)頭組成，并從自定義UDP報(bào)頭中的報(bào)文標(biāo)識(shí)可判別出CAN報(bào)文，而后面的數(shù)據(jù)正是圖6中CAN報(bào)文中的13 bit數(shù)據(jù)，即對(duì)CAN報(bào)文采用透明轉(zhuǎn)換方式，將CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)成功發(fā)送到以太網(wǎng)。同樣方法可測(cè)試到以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)也成功發(fā)送至CAN。網(wǎng)絡(luò)中其他類(lèi)型的報(bào)文也同樣如此。

4 結(jié)束語(yǔ)
文中闡述了以ARM7系列LPC2294為核心的以太網(wǎng)與CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的通信網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，概述了本網(wǎng)關(guān)中采用的以太網(wǎng)和CAN總線(xiàn)的報(bào)文格式及其自定義UDP數(shù)據(jù)報(bào)文的結(jié)構(gòu)。并提出了網(wǎng)關(guān)的軟、硬件實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)該網(wǎng)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)與CAN總線(xiàn)間的數(shù)據(jù)傳遞，且具有穩(wěn)定性和較高的可靠性。