基于can總線與以太網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)關設計

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1、基于CAN總線與以太網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)關設計隨著以太網(wǎng)技術等的進一步發(fā)展和完善，特別是通信速率的提高和交互技術的應用，使得以太網(wǎng)技術應用于現(xiàn)場控制領域成為可能，這對工業(yè)控制網(wǎng)絡產(chǎn)生了新的影響。但已有的現(xiàn)場總線不可能完全被工業(yè)以太網(wǎng)替代，所以將現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)結(jié)合，從而實現(xiàn)底層生產(chǎn)與上層管理的緊密集成，已經(jīng)已經(jīng)成為一種趨勢。CAN作為國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，在我國也得到了廣泛的應用，所以本設計以CAN總線作為工業(yè)現(xiàn)場總線，實現(xiàn)其與以太網(wǎng)的互聯(lián)。1.系統(tǒng)總體概述1.1以太網(wǎng)以太網(wǎng)采用帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD），傳輸介質(zhì)為同軸電纜。

2、如今，以太網(wǎng)已經(jīng)成為局域網(wǎng)中的主導網(wǎng)絡技術，而且隨著吉比特以太網(wǎng)的出現(xiàn)，以太網(wǎng)正在向城域網(wǎng)大步邁進。CSMA/CD載波幀聽多路訪問/沖突檢測，是IEEE802.3解決信道競爭的方法。一站點要傳送數(shù)據(jù)時，它首先監(jiān)聽信道，如果信道忙，則等待直至信道空閑再發(fā)數(shù)據(jù)。由于同時可能有多個站點幀聽到信道空閑發(fā)出數(shù)據(jù)，可能發(fā)生沖突，CSMA/CD在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，進行沖突檢測，一旦發(fā)現(xiàn)沖突，立刻停止發(fā)送，并等待沖突平息，再進行CSMA/CD，直到將數(shù)據(jù)成功地發(fā)送完畢。以太網(wǎng)幀是變長的，其長度從64字節(jié)到1518個字節(jié)不等,具體的幀結(jié)構(gòu)如下圖1.1所示：圖1.1以太網(wǎng)作

3、為當今應用最廣的局域網(wǎng)技術，具有性價比高、靈活性和互操作性強等特點。目前，以太網(wǎng)也已經(jīng)廣泛的應用到了工業(yè)控制當中，其優(yōu)點在于：?1.傳輸速率較高，工作可靠，便于維護和故障恢復，為高速信息傳輸提供了物理基礎；?2.結(jié)構(gòu)簡單、靈活、便于擴充，易于實現(xiàn)，成本低。?3.基于TCP/IP的以太網(wǎng)是一種標準的開放式網(wǎng)絡，不同廠商的設備很容易互聯(lián)。4.以太網(wǎng)能便捷地訪問遠程系統(tǒng)，共享/訪問多數(shù)據(jù)庫。?5.易于與Internet連接，能夠在任何城市、地方利用電話線通過Internet對企業(yè)進行監(jiān)控。?6.以太網(wǎng)能實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡與工業(yè)控制網(wǎng)絡的有機結(jié)合。1.2?CA

4、N總線CAN總線（Controller?Area?Network）即控制器局域網(wǎng)，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線是一種多主方式的串行通訊總線，基本設計規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。因此在汽車、制造業(yè)以及航空工業(yè)中受到了廣泛應用。圖1.2.1CAN2.0協(xié)議的分層模型如右圖1.2.1所示：分別對應于OSI參考模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。圖1.2.2CAN標準幀信息為11個字節(jié)，包括兩部分：信息和數(shù)據(jù)部分。前3個字節(jié)為信息部分。CAN標準幀格式如圖1.2.2所示。CAN總線與其他總線相比有如下特點：

5、?1.它是一種多主總線，每個節(jié)點機均可成為主機，節(jié)點機之間也可進行通信；?2.通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1Mbps；?3.CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理；4.CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼；?5.數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié),可滿足通常工業(yè)領域中控制命令，工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時不會占用總線時間過長,從而保證了通信的實時性；?6.CAN協(xié)議采用CRC檢驗并提供相應的錯誤處理功能，保證了通信的可靠性。1.3CAN總線

6、與以太網(wǎng)連接以太網(wǎng)上運行TCP/IP協(xié)議,它具有應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層；CAN總線具有應用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其中應用層由用戶自己定義，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層由CAN協(xié)議所定義。CAN總線與以太網(wǎng)的不同，從數(shù)據(jù)流來看則表現(xiàn)在數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)不同。因此，協(xié)議轉(zhuǎn)換的主要內(nèi)容就是對數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)換。因此需要中間網(wǎng)關對一方發(fā)送的數(shù)據(jù)幀進行接收、處理和再封裝然后發(fā)送到另一方，即封裝--拆封--再封裝這個過程。CAN總線與以太網(wǎng)網(wǎng)絡互連模型如圖1.3.1。網(wǎng)關CAN控制模塊的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議可以從CAN總線發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀中解析出CAN總線應用

7、報文，然后發(fā)送到以太網(wǎng)控制模塊，由以太網(wǎng)傳輸層和網(wǎng)絡層協(xié)議對CAN總線應用報文進行TCP/IP封裝，最后通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議將數(shù)據(jù)打包成幀并發(fā)送到以太網(wǎng)上。圖1.3.1協(xié)議轉(zhuǎn)換模型如圖1.3.2所示。當以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關，網(wǎng)關與以太網(wǎng)對應的數(shù)據(jù)鏈路層首先取出IP分組部分，然后將IP分組轉(zhuǎn)入其上一層網(wǎng)絡層中，網(wǎng)絡層再將IP分組中取出TCP報文段或UDP數(shù)據(jù)報將其轉(zhuǎn)入運輸層，運輸層取出應用報文，并將所剩應用報文轉(zhuǎn)發(fā)給與CAN總線對應的網(wǎng)關中的數(shù)據(jù)鏈路層，之后經(jīng)數(shù)據(jù)鏈路層對應用報文進行封裝成CAN幀，最后發(fā)送到CAN總線上，反過來CAN總線向以太網(wǎng)發(fā)送

8、數(shù)據(jù)也是同樣的原理。圖1.3.22.網(wǎng)關的硬件設計CAN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡，只包括對應