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

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。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區(qū)別不同類型的報文，包括有：CAN數(shù)據(jù)報文、時統(tǒng)報文、工作狀態(tài)請求報文、心跳報文及設(shè)備故障診斷信息報文。其中時統(tǒng)報文是在開機時或每30分鐘系統(tǒng)發(fā)送的對時請求。工作狀態(tài)報文是在各設(shè)備開機或復(fù)位并正常工作后自動發(fā)送的，還有收到詢問報文或狀態(tài)改變后發(fā)送，主要發(fā)送時戳和設(shè)備ID信息。心跳報文是在各設(shè)備開機或復(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)備故障診斷信息報文是當(dāng)接收到故障診斷請求報文或網(wǎng)關(guān)根據(jù)CAN板卡數(shù)據(jù)接收情況，自行檢測到網(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)置報文中指定的CAN板卡對應(yīng)節(jié)點的數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程幀等，可認(rèn)定此節(jié)點故障，并發(fā)送故障信息報文。這增添了系統(tǒng)的一些管理信息，根據(jù)不同的報文類型完成系統(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，用以識別本網(wǎng)關(guān)模塊的數(shù)據(jù)報信息，無論是CAN報文、時統(tǒng)報文或工作狀態(tài)請求報文均使用該格式，若不符合該幀頭的數(shù)據(jù)報網(wǎng)關(guān)模塊不進(jìn)行處理。需注意的是，第20 bit開始才是真正的數(shù)據(jù)，每個信息單元均有各自的序號、標(biāo)識和長度等信息。其中信元的序號表示該信元在UDP數(shù)據(jù)報中的位置；標(biāo)識代表信息單元內(nèi)報文的類型。
2．2 程序設(shè)計
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)，通過裁剪、移植使其能順利運行于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)，并編寫了6個任務(wù)函數(shù)，使其分工合作實現(xiàn)了模塊的各項功能，并通過μC／OS—II系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度管理機制來進(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)口斷線檢測，本機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個子任務(wù)，按優(yōu)先級由高到低依次為TaskB、TaskC、TaskF、TaskD、TaskE的5個子任務(wù)的具體功能如下：
TaskB：主要功能為接收UDP報文并解析，下發(fā)至CAN；若接收到時統(tǒng)報文，按照協(xié)議解析，并將時戳信息寫入時鐘芯片。
TaskC：主要功能為接收TCP報文，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：主要功能為定時發(fā)送特殊報文，如：心跳報文、時統(tǒng)報文、工作狀態(tài)請求報文及設(shè)備故障診斷信息報文等，完成網(wǎng)關(guān)模塊的工作狀態(tài)檢測及參數(shù)配置等功能。
5個子任務(wù)創(chuàng)建完成后，TaskB和TaskC進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待各自的信號量RecUdpQFlag和RecTcpQ一Flag，由于這兩個任務(wù)的優(yōu)先級較高，說明網(wǎng)關(guān)模塊優(yōu)先轉(zhuǎn)換以太網(wǎng)向CAN總線方向的數(shù)據(jù)。因此，當(dāng)以太網(wǎng)中有數(shù)據(jù)到來時根據(jù)報文的類型可得到相應(yīng)的信號量，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)先級低于這兩個任務(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檢測模塊的定時器，判斷是否需要發(fā)送工作狀態(tài)報文和心跳報文等特殊報文。執(zhí)行完成后，判斷CAN節(jié)點是否有數(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)傳輸過程，在此期間允許TaskB和TaskC進(jìn)行搶占執(zhí)行。系統(tǒng)通過調(diào)度這5個任務(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 測試
將該上位機IP地址設(shè)置為192．1．1．11，打開網(wǎng)關(guān)參數(shù)設(shè)置界面對一些參數(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)接收端口號和CAN數(shù)據(jù)目標(biāo)IP地址等參數(shù)。隨后將CAN總線數(shù)據(jù)報文測試軟件ZLGCANTest打開，設(shè)置CAN總線的波特率為250 khit·s-1，將CAN報文發(fā)出后用ZLGCAN—Test、TcpUdp測試工具及EtherPeek NX軟件來查看網(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)的幀類型是擴展幀，幀格式是數(shù)據(jù)幀，幀ID為0x0000 0000，每個CAN協(xié)議中發(fā)送8 bit的數(shù)據(jù)。而圖7是通過TcpUdp測試工具得到的數(shù)據(jù)，并已在圖中標(biāo)出，此報文頭由Etherner協(xié)議報文頭、IP協(xié)議報頭、UDP協(xié)議報頭和自定義UDP報頭組成，并從自定義UDP報頭中的報文標(biāo)識可判別出CAN報文，而后面的數(shù)據(jù)正是圖6中CAN報文中的13 bit數(shù)據(jù)，即對CAN報文采用透明轉(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)中其他類型的報文也同樣如此。

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