基于can總線(xiàn)與以太網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

《基于can總線(xiàn)與以太網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。

1、基于CAN總線(xiàn)與以太網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)隨著以太網(wǎng)技術(shù)等的進(jìn)一步發(fā)展和完善，特別是通信速率的提高和交互技術(shù)的應(yīng)用，使得以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)控制領(lǐng)域成為可能，這對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了新的影響。但已有的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)不可能完全被工業(yè)以太網(wǎng)替代，所以將現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與以太網(wǎng)結(jié)合，從而實(shí)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(shì)。CAN作為國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一，在我國(guó)也得到了廣泛的應(yīng)用，所以本設(shè)計(jì)以CAN總線(xiàn)作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，實(shí)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(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)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(dǎo)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，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(jìn)。CSMA/CD載波幀聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測(cè)，是IEEE802.3解決信道競(jìng)爭(zhēng)的方法。一站點(diǎn)要傳送數(shù)據(jù)時(shí)，它首先監(jiān)聽(tīng)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(shí)可能有多個(gè)站點(diǎn)幀聽(tīng)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(shí)，進(jìn)行沖突檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)沖突，立刻停止發(fā)送，并等待沖突平息，再進(jìn)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(zhǎng)的，其長(zhǎng)度從64字節(jié)到1518個(gè)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(dāng)今應(yīng)用最廣的局域網(wǎng)技術(shù)，具有性?xún)r(jià)比高、靈活性和互操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。目前，以太網(wǎng)也已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到了工業(yè)控制當(dāng)中，其優(yōu)點(diǎn)在于：?1.傳輸速率較高，工作可靠，便于維護(hù)和故障恢復(fù)，為高速信息傳輸提供了物理基礎(chǔ)；?2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活、便于擴(kuò)充，易于實(shí)現(xiàn)，成本低。?3.基于TCP/IP的以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)，不同廠(chǎng)商的設(shè)備很容易互聯(lián)。4.以太網(wǎng)能便捷地訪(fǎng)問(wèn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)，共享/訪(fǎng)問(wèn)多數(shù)據(jù)庫(kù)。?5.易于與Internet連接，能夠在任何城市、地方利用電話(huà)線(xiàn)通過(guò)Internet對(duì)企業(yè)進(jìn)行監(jiān)控。?6.以太網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)結(jié)合。1.2?CA

4、N總線(xiàn)CAN總線(xiàn)（Controller?Area?Network）即控制器局域網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一。CAN總線(xiàn)是一種多主方式的串行通訊總線(xiàn)，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。因此在汽車(chē)、制造業(yè)以及航空工業(yè)中受到了廣泛應(yīng)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(duì)應(yīng)于OSI參考模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。圖1.2.2CAN標(biāo)準(zhǔn)幀信息為11個(gè)字節(jié)，包括兩部分：信息和數(shù)據(jù)部分。前3個(gè)字節(jié)為信息部分。CAN標(biāo)準(zhǔn)幀格式如圖1.2.2所示。CAN總線(xiàn)與其他總線(xiàn)相比有如下特點(diǎn)：

5、?1.它是一種多主總線(xiàn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)均可成為主機(jī)，節(jié)點(diǎn)機(jī)之間也可進(jìn)行通信；?2.通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1Mbps；?3.CAN總線(xiàn)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(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理；4.CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼；?5.數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié),可滿(mǎn)足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令，工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)不會(huì)占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),從而保證了通信的實(shí)時(shí)性；?6.CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了通信的可靠性。1.3CAN總線(xiàn)

6、與以太網(wǎng)連接以太網(wǎng)上運(yùn)行TCP/IP協(xié)議,它具有應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層；CAN總線(xiàn)具有應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其中應(yīng)用層由用戶(hù)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(xiàn)與以太網(wǎng)的不同，從數(shù)據(jù)流來(lái)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(duì)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此需要中間網(wǎng)關(guān)對(duì)一方發(fā)送的數(shù)據(jù)幀進(jìn)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(gè)過(guò)程。CAN總線(xiàn)與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)互連模型如圖1.3.1。網(wǎng)關(guān)CAN控制模塊的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議可以從CAN總線(xiàn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)幀中解析出CAN總線(xiàn)應(yīng)用

7、報(bào)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(luò)層協(xié)議對(duì)CAN總線(xiàn)應(yīng)用報(bào)文進(jìn)行TCP/IP封裝，最后通過(guò)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(dāng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)與以太網(wǎng)對(duì)應(yīng)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(luò)層中，網(wǎng)絡(luò)層再將IP分組中取出TCP報(bào)文段或UDP數(shù)據(jù)報(bào)將其轉(zhuǎn)入運(yùn)輸層，運(yùn)輸層取出應(yīng)用報(bào)文，并將所剩應(yīng)用報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給與CAN總線(xiàn)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)關(guān)中的數(shù)據(jù)鏈路層，之后經(jīng)數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)應(yīng)用報(bào)文進(jìn)行封裝成CAN幀，最后發(fā)送到CAN總線(xiàn)上，反過(guò)來(lái)CAN總線(xiàn)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(guān)的硬件設(shè)計(jì)CAN總線(xiàn)屬于總線(xiàn)式串行通信網(wǎng)絡(luò)，只包括對(duì)應(yīng)