Ethernet 的冗余CAN 總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)計

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 Ethernet 的冗余CAN 總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)計 1. 2 CAN 總線接口電路 采用NXP 公司SJA1000 作為CAN 總線轉(zhuǎn)換器.NXP 公司TJA1050 用做CAN 總線收發(fā)器.為了提高CAN 總線電路的可靠性，在設(shè)計中采用雙冗余的CAN總線構(gòu)造，具體設(shè)計為：在各節(jié)點設(shè)備之間布下兩條基于CAN 的系統(tǒng)通信總線，即用兩套CAN 總線控制電路分別連接到兩路CAN 總線通路上，正常情況下在兩條總線上傳送相同的通信數(shù)據(jù)，當(dāng)一條總線出現(xiàn)故障時通信數(shù)據(jù)仍然可以通過另一條正常的總線傳輸，不影響節(jié)點設(shè)備的正常通信，然后對故障總線重新初始化使其恢復(fù)正常投入使用，這樣

2、即使一條通信通道出現(xiàn)故障也不會影響整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸；同時考慮工業(yè)應(yīng)用，在CAN 總線控制器和CAN 總線收發(fā)器之間開展隔離. 在電路中將SJA1000 的AD0 AD7 直接與主控芯片的低8 位地址/ 數(shù)據(jù)復(fù)用總線相連，MODE 引腳與+5V 相連使得SJA1000 工作于Intel 模式 , 兩路SJA1000 的中斷輸出信號分別連接至C8051F340 的端口P0. 2 和P0. 7,使得CAN 通信可以采用中斷或查詢兩種方式工作，其中雙冗余CAN 總線電路的晶振均為16MHz,復(fù)位信號采用軟件復(fù)位，詳細電路原理圖見圖2. 1. 3 以太網(wǎng)接口電路 在以太網(wǎng)接口電路中選用Silicon

3、Labs 公司的CP2200 作為以太網(wǎng)控制器，采用HanRun 公司的內(nèi)部集成以太網(wǎng)隔離變壓器.指示燈和RJ45 插座的HR911175A 與以太網(wǎng)接口.CP2200 是Silicon Labs 公司推出的一款主流的8 位總線控制的以太網(wǎng)驅(qū)動芯片，其外圍電路非常簡單，集成了IEEE 802. 3 以太網(wǎng)媒體訪問控制器（ MAC ）.10 BASE T 物理層（PHY） ,完全兼容100/1000 BASE-T 網(wǎng)絡(luò)，具有自動極性檢測和糾正功能，可以自適應(yīng)地工作在全雙工或半雙工模式，具有接收數(shù)據(jù)包中斷和網(wǎng)絡(luò)喚醒中斷功能.CP2200 內(nèi)部帶有2K 字節(jié)的專用發(fā)送緩沖RAM和4KB 接收FIFO

4、 緩沖RAM ,同時還具有8K 字節(jié)的內(nèi)部非易失性Flash 存儲器，用于存儲用戶常數(shù).Web服務(wù)器內(nèi)容，它的6 個存儲單元是工廠預(yù)編程的48 位MAC 地址 ,不需外部EEPROM .此芯片8 位并行總線接口支持Intel 和Motorola 總線方式，可以為具有11 個以上端口I/ O 引腳的主處理器或微處理器增加以太網(wǎng)通信功能，可以使用復(fù)用或非復(fù)用方式尋址，在非復(fù)用模式下數(shù)據(jù)傳輸率超過30Mbps,可以直接連接LED 表示網(wǎng)絡(luò)“連接”.“活動”狀態(tài). 在電路中CP2200 采用數(shù)據(jù)地址復(fù)用模式，晶體頻率為20M,CP2200 的TX.RX 引腳連接到RJ45 插座的收發(fā)針腳，同時將信號L

5、INK.ACK 也連接到后者的LED 控制針腳上，詳細電路原理圖見圖3. 1. 4 EEPROM 接口電路 該電路的作用是實現(xiàn)CAN 總線初始化參數(shù)的寫入與讀取功能， 設(shè)計中選用了512KB 的EEPROM24C512 芯片.詳細電路原理圖見圖4. 1. 5 POE 電路 以太網(wǎng)供電電路分別采用TI 公司的電源管理器芯片TPS 2383 和電源接口芯片TPS 2370,這2 款芯片完全符合以太網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802. 3af,利用這2 款芯片即可通過1 條標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)線纜就實現(xiàn)同時傳輸電能和數(shù)據(jù). 2 軟件設(shè)計 本設(shè)計的軟件主要分為三部分： CAN-以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序.CAN 通信程序和以

6、太網(wǎng)通信程序.軟件整體的設(shè)計思路為：當(dāng)CAN 總線節(jié)點設(shè)備需要向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先通過CAN 通信程序讀取CAN 總線節(jié)點設(shè)備產(chǎn)生的CAN 協(xié)議數(shù)據(jù)包，并將其存儲在CAN 總線接口發(fā)送緩沖區(qū)中，然后調(diào)用CAN-以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序?qū)AN 協(xié)議數(shù)據(jù)包解析并重新封裝成TCP 或UDP 數(shù)據(jù)包，調(diào)用以太網(wǎng)通信程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)；要將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送給一個CAN節(jié)點設(shè)備時，首先通過調(diào)用以太網(wǎng)通信程序?qū)⒁蕴W(wǎng)傳輸層上的TCP 或UDP 數(shù)據(jù)包存儲到以太網(wǎng)接口的發(fā)送緩沖區(qū)，然后調(diào)用以太網(wǎng)-CAN 協(xié)議轉(zhuǎn)換程序?qū)CP 或UDP 數(shù)據(jù)包解析并封裝成CAN 協(xié)議數(shù)據(jù)包，之后再調(diào)用CAN 通信程序?qū)

7、AN 接口發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN 總線上的指定節(jié)點. 2. 1 CAN 通信程序 CAN 通信程序主要包括以下幾部分：SJA1000 初始化程序.讀寫SJA1000 內(nèi)部存放器程序.CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送程序.CAN 數(shù)據(jù)接收程序.CAN 總線冗余控制程序. SJA1000 的初始化程序主要作用是設(shè)定總線上所有節(jié)點的地址.所有總線上節(jié)點設(shè)備的波特率.設(shè)置控制器的工作模式.設(shè)置中斷存放器.命令存放器等相關(guān)的芯片存放器 .CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送程序的功能是當(dāng)發(fā)送CAN 協(xié)議數(shù)據(jù)包給節(jié)點設(shè)備時，調(diào)用CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送程序，通過將數(shù)據(jù)寫入SJA1000 的數(shù)據(jù)發(fā)送存放器中來實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送.CAN 數(shù)據(jù)接收程序

8、的功能是當(dāng)SJA1000 接收到數(shù)據(jù)時，向單片機發(fā)出中斷請求，單片機響應(yīng)中斷后調(diào)用CAN 數(shù)據(jù)接收程序讀取SJA1000的內(nèi)部存放器程序，將其數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)中接收到的數(shù)據(jù)讀取到單片機的相應(yīng)存儲空間內(nèi). CAN 總線冗余控制程序的基本設(shè)計思路為：在上電初始化時同時激活兩個總線控制器的中斷，在節(jié)點設(shè)備向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下，單片機通過兩路CAN 總線向上位機發(fā)送相同內(nèi)容的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)冗余效果.在節(jié)點設(shè)備接收通信數(shù)據(jù)的情況下，當(dāng)兩個總線控制器同時接收到來自上位機的報文時，將分別通過不同的中斷端口向單片機發(fā)出中斷請求，單片機在響應(yīng)先到達的中斷請求信號后進入中斷服務(wù)程序關(guān)閉中斷，并在對數(shù)據(jù)開展處理完成后

9、，去除中斷并在一段延時后再打開所有中斷，這樣就可以屏蔽后到的另一個CAN 控制器中斷信號.如果一路CAN 總線接口電路出現(xiàn)故障，那么它就不會產(chǎn)生中斷信號，單片機只能接收到另一路正常CAN 總線控制器的中斷信號，從而通過正常的CAN 總線接收數(shù)據(jù)，這樣就可以實現(xiàn)雙通道冗余的目的；在節(jié)點設(shè)備與上位機之間完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接收后，節(jié)點設(shè)備會通過兩路CAN 總線以每秒1次的頻率交替向上位機發(fā)送“心跳”信號，并接收上位機回傳的響應(yīng)信息，如果一路CAN 總線狀態(tài)異常，不能正常發(fā)送“心跳”信號，則節(jié)點設(shè)備的單片機就不會收到響應(yīng)信息，從而無法對錯誤計數(shù)器開展清零，當(dāng)錯誤計數(shù)器的值累加到設(shè)定值時，單片機就會對異常的

10、CAN 總線接口電路復(fù)位，重行初始化使其恢復(fù)正常，保證雙通道CAN 總線冗余電路的正常. 2. 2 CAN / 以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序 CAN/ 以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序的大致流程如下：在系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后會先對數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型開展判斷，如果接收到的數(shù)據(jù)是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，就會依次去掉IP 頭.TCP 或UDP 頭和應(yīng)用層頭 ,然后將解析后的數(shù)據(jù)封裝為CAN 報文格式，并存人CAN 接口電路發(fā)送緩沖區(qū)，由CAN 接口電路發(fā)往CAN 總線中相應(yīng)的節(jié)點設(shè)備.如果接收到的數(shù)據(jù)是CAN 協(xié)議報文，便解析出數(shù)據(jù)部分，然后將報文數(shù)據(jù)部分封裝成規(guī)定的應(yīng)用層格式并存入以太網(wǎng)接口發(fā)送緩沖區(qū)，將數(shù)據(jù)封裝成以太網(wǎng)幀格式后通過以太網(wǎng)接口

11、電路發(fā)往至以太網(wǎng). 協(xié)議轉(zhuǎn)換流程圖見圖5. 2. 3 以太網(wǎng)通信程序 以太網(wǎng)通信程序主要包括CP2200 初始化程序.以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送程序和接收程序.CP2200 芯片的初始化程序的作用主要是對芯片存放器開展常規(guī)配置 ,這里就不開展詳細說明. 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收程序：由于主控芯片C8051F340 的處理速度以及內(nèi)部集成的資源有限，不可能集成所有的TCP/ IP 協(xié)議，因此需要對TCP/ IP 協(xié)議開展適當(dāng)?shù)募舨煤蟛拍苁褂?.在本設(shè)計中的協(xié)議棧主要包括IP 協(xié)議.ICMP 協(xié)議.TCP 協(xié)議.ARP 協(xié)議 . 本設(shè)計的嵌入式TCP/ IP 協(xié)議棧的流程見圖6. 基本流程為在CP2200 芯片從以太網(wǎng)接收到有效數(shù)據(jù)后，單片時機調(diào)用相關(guān)程序?qū)⒃摂?shù)據(jù)包從CP2200 的接收緩沖區(qū)讀取，然后判斷該數(shù)據(jù)幀是IP 數(shù)據(jù)包還是ARP 數(shù)據(jù) ,如果判斷為接收到的是IP 數(shù)據(jù)包時，那么就繼續(xù)判斷是UDP 數(shù)據(jù)包還是ICMP 數(shù)據(jù)包，如果是UDP 數(shù)據(jù)包，就根據(jù)UDP 數(shù)據(jù)包首部的讀取結(jié)果來處理相應(yīng)數(shù)據(jù)，完成CAN 協(xié)議數(shù)據(jù)的提取并將其存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，從而實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的解碼；如果判斷結(jié)果是ICMP 數(shù)據(jù)包那么就處理該數(shù)據(jù)包并進一步處理IP 數(shù)據(jù)包；如果接收到的是ARP 數(shù)據(jù)，就判斷其是ARP 請求還是ARP 應(yīng)答并根據(jù)結(jié)果開展相應(yīng)的處理，如果該數(shù)據(jù)幀既不是IP 數(shù)據(jù)包又不是ARP數(shù)據(jù)，