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以CAN总线作为工业现场总线实现其与以太网的互联
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2017-10-16
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近年来，随着以太网技术的进一步发展和完善，特别是通信速率的提高和交互技术的应用，使得以太网技术应用于现场控制领域成为可能，这对工业控制网络产生了新的影响。从目前的趋势来看，以太网己经进入了现场控制级，但是已有的现场总线仍将继续存在，工业以太网只能占领一定的市场。
从现实来看，以太网扩展了现有的系统，但是现场总线不可能完全被工业以太网替代，后者的潜力巨大，其应用领域一定会不断扩大。所以，将现场总线与以太网结合，从而实现底层生产与上层管理的紧密集成，已经成为一种趋势。CAN总线作为国际上应用最广泛的现场总线之一，在我国也得到了很广泛的应用，该设计以CAN总线作为工业现场总线，实现其与以太网的互联。
1硬件结构
目前，对于CAN和以太网相连的嵌入式网关设计主要有两种方法：一种是低档MCU加接口芯片的设计方法，另一种是高档MCU加EOS（实时多任务操作系统）再加接口芯片的设计方法。因CAN只采用了ISO/OSI参考模型的一、二层，协议相对简单，比较适合用于低成本、速率要求不高的离散控制系统。从合理的成本和有效利用处理能力这两方面考虑，该设计采用低档MCU加接口芯片的方法，其硬件框图见图1.
图1 硬件原理图
1.1主控芯片及以太网接口模块
根据要求，该系统选择了性能价格比较高的Atmel公司生产的AT89C55单片机。它是面向测控对象和嵌入式应用的，所以它的体系结构以及CPU、指令系统、外围单元电路都是按照这种要求专门设计的。它内部带高达20 KB的FLASH程序存储器，AT89C55完全兼容8051指令集，片上FLASH方便了使用者进行在线编程，工作速率最高可达33 MHz，256 B的内部RAM，32个可编程的I/O口，3个16位的定时/计数器，8个中断源，支持低功耗的空闲工作模式。以太网接口选用的是RTL8019AS芯片，它是由Realtek公司生产的一种高度集成的以太网控制器，能实现以太网媒介访问层（MAC）和物理层（PHY）的全部功能。RTL8019AS内部有两个RAM区域：一是16 KB，地址为0x4000～0x7fff，要接收和发送数据包必须通过DMA读写RTL8019AS内部的16 KB的RAM，它实际上是双端口RAM，即有两条总线与其连接，一条总线用于RTL8019AS读/写或写/读该RAM，即本地DMA；另一条总线用于单片机读或写该RAM，即远程DMA；二是32个字节，地址为0x0000～0x001F，用于存储以太网物理地址。主控芯片和以太网接口芯片的硬件接口原理图见图2.值得注意的是由于以太网的包最大可以超过1 500个字节，AT89C55的片内RAM只有256个字节，因此无法存储这么大的包，所以这里扩展了一个32 KB的外部RAM，这样同时也能提高单片机的数据传输速度。
图2 以太网接口电路原理图
1.2 CAN接口模块
组成CAN系统的主要器件是CAN控制器和收发器。该设计中，CAN接口模块选用SJA1000芯片和PCA82C250芯片。SJA1000是一个独立的CAN控制器，它是Philips公司另一个CAN控制器PCA82C200的替代产品，且增加了一种新的工作模式（Peli CAN），这种模式支持CAN 2.0B协议。SJA1000主要完成CAN的通信协议，实现报文的装配和拆分、接收信息的过滤和校验等。
PCA82C250是CAN控制器与物理总线之间的接口，主要用于增强系统的驱动能力。采用收发器的系统中，节点数至少可以达到110个，同时还具有降低射频干扰（RFI）和很强的抗电磁干扰（EMI）能力。在处理这部分电路时，有几个地方要特别注意：
（1）晶振电路的问题。89C55和SJA1000都应该有各自独立的晶振电路，不能够用SJA1000的时钟输出信号CLKOUT来驱动单片机。
（2）复位引脚的问题。虽然SJA1000的复位是低电平，但不能通过一个非门直接连接单片机的复位引脚。一般对解决复位引脚问题有两种方式：第一种是使用单片机的I/O引脚控制SJA的复位引脚，其好处是单片机可以完全控制SJA的复位过程；第二种是采用适当的复位芯片，为了降低成本，该设计采取的是第一种方法。
（3）RX1引脚的电位必须维持在约0.5 VCC上，否则将不能形成CAN协议所要求的逻辑电平。
（4）一定要注意电缆的终端阻抗匹配，它直接影响CAN总线是否能正常工作和网络性能。CAN接口模块的硬件电路图见图3，在PCA82C250的RS脚上接有一个斜率电阻R，可根据总线通信速度适当调整电阻的大小。
从现实来看，以太网扩展了现有的系统，但是现场总线不可能完全被工业以太网替代，后者的潜力巨大，其应用领域一定会不断扩大。所以，将现场总线与以太网结合，从而实现底层生产与上层管理的紧密集成，已经成为一种趋势。CAN总线作为国际上应用最广泛的现场总线之一，在我国也得到了很广泛的应用，该设计以CAN总线作为工业现场总线，实现其与以太网的互联。
1硬件结构
目前，对于CAN和以太网相连的嵌入式网关设计主要有两种方法：一种是低档MCU加接口芯片的设计方法，另一种是高档MCU加EOS（实时多任务操作系统）再加接口芯片的设计方法。因CAN只采用了ISO/OSI参考模型的一、二层，协议相对简单，比较适合用于低成本、速率要求不高的离散控制系统。从合理的成本和有效利用处理能力这两方面考虑，该设计采用低档MCU加接口芯片的方法，其硬件框图见图1.
图1 硬件原理图
1.1主控芯片及以太网接口模块
根据要求，该系统选择了性能价格比较高的Atmel公司生产的AT89C55单片机。它是面向测控对象和嵌入式应用的，所以它的体系结构以及CPU、指令系统、外围单元电路都是按照这种要求专门设计的。它内部带高达20 KB的FLASH程序存储器，AT89C55完全兼容8051指令集，片上FLASH方便了使用者进行在线编程，工作速率最高可达33 MHz，256 B的内部RAM，32个可编程的I/O口，3个16位的定时/计数器，8个中断源，支持低功耗的空闲工作模式。以太网接口选用的是RTL8019AS芯片，它是由Realtek公司生产的一种高度集成的以太网控制器，能实现以太网媒介访问层（MAC）和物理层（PHY）的全部功能。RTL8019AS内部有两个RAM区域：一是16 KB，地址为0x4000～0x7fff，要接收和发送数据包必须通过DMA读写RTL8019AS内部的16 KB的RAM，它实际上是双端口RAM，即有两条总线与其连接，一条总线用于RTL8019AS读/写或写/读该RAM，即本地DMA；另一条总线用于单片机读或写该RAM，即远程DMA；二是32个字节，地址为0x0000～0x001F，用于存储以太网物理地址。主控芯片和以太网接口芯片的硬件接口原理图见图2.值得注意的是由于以太网的包最大可以超过1 500个字节，AT89C55的片内RAM只有256个字节，因此无法存储这么大的包，所以这里扩展了一个32 KB的外部RAM，这样同时也能提高单片机的数据传输速度。
图2 以太网接口电路原理图
1.2 CAN接口模块
组成CAN系统的主要器件是CAN控制器和收发器。该设计中，CAN接口模块选用SJA1000芯片和PCA82C250芯片。SJA1000是一个独立的CAN控制器，它是Philips公司另一个CAN控制器PCA82C200的替代产品，且增加了一种新的工作模式（Peli CAN），这种模式支持CAN 2.0B协议。SJA1000主要完成CAN的通信协议，实现报文的装配和拆分、接收信息的过滤和校验等。
PCA82C250是CAN控制器与物理总线之间的接口，主要用于增强系统的驱动能力。采用收发器的系统中，节点数至少可以达到110个，同时还具有降低射频干扰（RFI）和很强的抗电磁干扰（EMI）能力。在处理这部分电路时，有几个地方要特别注意：
（1）晶振电路的问题。89C55和SJA1000都应该有各自独立的晶振电路，不能够用SJA1000的时钟输出信号CLKOUT来驱动单片机。
（2）复位引脚的问题。虽然SJA1000的复位是低电平，但不能通过一个非门直接连接单片机的复位引脚。一般对解决复位引脚问题有两种方式：第一种是使用单片机的I/O引脚控制SJA的复位引脚，其好处是单片机可以完全控制SJA的复位过程；第二种是采用适当的复位芯片，为了降低成本，该设计采取的是第一种方法。
（3）RX1引脚的电位必须维持在约0.5 VCC上，否则将不能形成CAN协议所要求的逻辑电平。
（4）一定要注意电缆的终端阻抗匹配，它直接影响CAN总线是否能正常工作和网络性能。CAN接口模块的硬件电路图见图3，在PCA82C250的RS脚上接有一个斜率电阻R，可根据总线通信速度适当调整电阻的大小。
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