摘要：本文介紹了一種低成本、高可靠性、快捷的CAN總線與以太網(wǎng)互連方案。該互連方案保證管理監(jiān)控層與生產(chǎn)測控層之間的連接，方便了上下層信息交流，滿足應(yīng)用要求。詳細介紹了硬件設(shè)計原理，給出了電原理圖，軟件設(shè)計步驟和部分流程圖。
關(guān)鍵詞 嵌入式系統(tǒng) Internet 接口
0 引言
計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，引發(fā)了控制領(lǐng)域深刻的技術(shù)革命�？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流。過去大量的浩如煙海的8/16位單片機的嵌入式設(shè)備，如儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和顯示、過程控制、工業(yè)自動化、家庭自動化等的實時應(yīng)用，已經(jīng)到了享受網(wǎng)絡(luò)方便的時候了。它們將成為Internet網(wǎng)的發(fā)展沃土，順應(yīng)“網(wǎng)絡(luò)服務(wù)”向“網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用”擴展的大潮。
目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還處于單獨應(yīng)用的階段，以單片機為核心，與一些控制設(shè)備配合實現(xiàn)一定的功能。如果嵌入式系統(tǒng)能夠連接到Internet這個信息流通渠道，則可以方便、低廉地將信息送到世界上任何一個地方，這將形成集管理與控制與一體的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。要做到這一點并不難，在電子技術(shù)、傳感技術(shù)已經(jīng)高度發(fā)達的今天，現(xiàn)場數(shù)據(jù)的取得，已經(jīng)不是難事，溫度、壓力、濕度、速度、加速度、電流、電壓這些數(shù)據(jù)只需要一個小小的嵌入式系統(tǒng)就可解決。另外，以太網(wǎng)（Ethernet）協(xié)議已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種計算機網(wǎng)絡(luò)，基于以太網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)也正在不斷向前發(fā)展。這里介紹一種嵌入式Internet系統(tǒng)的接口技術(shù)，它的特點是使用8位單片機與網(wǎng)絡(luò)通信控制器RTL8019AS等組成的系統(tǒng)，采用以太網(wǎng)協(xié)議傳輸數(shù)據(jù),因而成本低，容易實現(xiàn)。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
1．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)由串行接口、單片機、網(wǎng)絡(luò)控制器等部分組成，如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
1．2 系統(tǒng)電路原理
本系統(tǒng)電路主要由CPU、 串口的電平轉(zhuǎn)換電路、具有IIC總線的EEPROM、8位鎖存、32K的RAM、以太網(wǎng)通信控制器和隔離濾波器組成。其電路原理見圖2所示。
電路用到的主要芯片有89C52、24c512(IIC總線的eeprom)、373 八位鎖存器、以太網(wǎng)通信控制器RTL8019AS和隔離濾波器T1組成。
本系統(tǒng)CPU采用ATMEL公司的89C52單片機，串口的電平轉(zhuǎn)換電路采用MAX232，網(wǎng)絡(luò)通信控制器采用RTL8019AS。
RTL8019AS是臺灣Realtek公司制造的一種高集成度的全雙工10Mbps以太網(wǎng)控制芯片，實現(xiàn)基于Ethernet協(xié)議的MAC層的全部功能，內(nèi)置16Kb的SRAM、雙DMA通道和FIFO完成數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送功能。在本接口設(shè)計中，使用跳線模式（JP置為高），硬配置RTL8019AS為8位模式。使用RTL8019AS的低5位地址線A0～A4以及低8位數(shù)據(jù)線D0～D7。
圖2 電原理圖
單片機89C52P0口的P0～P4腳通過373八位鎖存器作為地址線連接RTL8019AS的低5位地址線，RD、WR分別連接讀寫時序控制腳IORB、IOWB；P0口作為數(shù)據(jù)線連接RTL8019AS的低8位數(shù)據(jù)線。圖2中AT24C512為64KBE2PROM，主要用來保存嵌入式透明SX-52網(wǎng)關(guān)的配置信息，如網(wǎng)關(guān)IP地址、MAC地址等。這樣，可以靈活方便地修改網(wǎng)關(guān)參數(shù)，適應(yīng)不同環(huán)境，同時也考慮到以后的擴展。
RTL8019AS除與89C52連接外，還將其網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器的４根引腳TPOUT+、TPOUT-、TPIN+、TPIN-通過外接的隔離濾波器T1`與以太網(wǎng)相連。采用隔離濾波器T1是為了提高網(wǎng)絡(luò)通信的抗干擾能力。
以太網(wǎng)通信控制器RTL8019AS可以接收三種地址的數(shù)據(jù): 一個是廣播地址,一個是多播地址(我們用不上)；一個是它自已的地址。
2 軟件設(shè)計
Internet網(wǎng)上的協(xié)議格式有多種，對單片機來說不可能支持太多的協(xié)議格式。根據(jù)以太網(wǎng)的封裝格式的物理傳輸幀整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計可以分為三部分：CAN總線設(shè)備接口通信程序、透明網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序和以太網(wǎng)層應(yīng)用程序設(shè)計。
2．1 CAN控制器協(xié)議模塊
CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊程序主要由寄存器讀程序CANRead()、寫程序CANWrite()、初始化程序CANInit()、發(fā)送程序txdsub()、接收程序rxdsub()程序組成。因為89C52芯片只有I/O端口，因此要編寫單獨的寄存器讀、寫子程序。
選用CAN2.0A協(xié)議構(gòu)建CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)，初始化主要完成控制寄存器CR、驗收代碼寄存器ACR、驗收屏蔽寄存器AMR、總線定時寄存器BTR0,1和輸出控制寄存器OCR的設(shè)置。初始化完成后，由總調(diào)度模塊監(jiān)控控制器。當CAN總線上有數(shù)據(jù)到達時，它調(diào)用接收子程序rxdsub()，把這一幀數(shù)據(jù)包存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Ｂ中，然后釋放接收緩沖器。同樣，當有按CAN2.0A協(xié)議格式組合成的一幀數(shù)據(jù)報文在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Ａ中要發(fā)送到CAN總線上去時，總調(diào)度模塊將調(diào)CAN發(fā)送子程序txdsub()發(fā)送。
2．2 以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊
以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要負責從UDP數(shù)據(jù)包中解析出完整CAN協(xié)議報文，存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Ａ。同時，可能將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Ｂ中的完整CAN協(xié)議報文封裝成UDP數(shù)據(jù)報，然后將其發(fā)送到以太網(wǎng)上。
在通信傳輸層采用UDP協(xié)議是考慮到CAN協(xié)議數(shù)據(jù)報為短幀形式（每個數(shù)據(jù)幀最多為８字節(jié)）。如果采用TCP傳輸協(xié)議，要傳輸８字節(jié)CAN協(xié)議數(shù)據(jù)，要先通過３次握手建立連接，再傳輸數(shù)據(jù)，之后還要通過握手釋放連接。這樣傳輸效率對有限的網(wǎng)絡(luò)資源來說無疑是一種浪費。而UDP是無連接的傳輸，可以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，同時，也減輕網(wǎng)關(guān)的處理任務(wù)。當然，UDP傳輸協(xié)議是不可靠的，對于控制網(wǎng)絡(luò)來說，是不允許的。為了提高通信的可靠性，采用了回傳校驗機制。通過實驗測試表明這種方式是行之有效的。
以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要由以太網(wǎng)卡驅(qū)動、ARP、UDP協(xié)議的若干個API函數(shù)組成，主要有NICInit()、NICDMAInit()、NICInitTXFrame()、NICSendTXFrame()、NICReadAgain()、ARPCheckifis()、ARPSendresponse()、ARPSendStPacket()、ICMPProcPkin()、UDPAppInit()、IPGenCheckSum()、UDPAppProcPktin()、UDPStartPktout()和UDPEndPktout()等。所使用的變量有：remoteIP[3:0]、myIP[3:0] 、UDPRxSrcPortMSB、DPRxSxcPortLSB、UDPRxDataLenMSB、UDPRｘDataLenLSB、UDPTxSrcPortMSB、UDPTXSrcPortLSB、UDPTxDestPortMSB、UDPTxDestPortLSB、UDPTxDataLenMSB、UDPTxDataLenLSB等。
系統(tǒng)首次執(zhí)行或復位時，以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將首先調(diào)用NICInit()和UDPAPPInit()等進行NIC、ARP、IP、UDP和應(yīng)用程序的初始化。初始化完成后，即進入主循環(huán)。在主循環(huán)中，89C52將反復檢測RTL8019AS是否接收以太網(wǎng)幀。當有數(shù)據(jù)被接收時，89C52調(diào)用NICDMAInit()和NICReadAgain()讀入以太網(wǎng)幀首部再調(diào)用ARPCheckIFIs()判斷接收幀是否為ARP數(shù)據(jù)。若是ARP，則轉(zhuǎn)入ARPSendResponse()和ARPSendstPacket()子程序進行ARP處理并發(fā)送響應(yīng)ARP數(shù)據(jù)報；若不是ARP，則判斷是否為IP數(shù)據(jù)報。若非ＩＰ數(shù)據(jù)報則清除該以太網(wǎng)幀；當所接收幀包含IP數(shù)據(jù)報時，則需進一步判斷是ICMP數(shù)據(jù)報還是UPD數(shù)據(jù)報文。若是ICMP數(shù)據(jù)報則執(zhí)行ICMPProcPktIn()子程序處理ICMP數(shù)據(jù)報并重發(fā)IP數(shù)據(jù)報；若數(shù)據(jù)為UDP數(shù)據(jù)報文，則調(diào)用UDPProcPktIn()子程序。該程序?qū)⒆x入UDP數(shù)據(jù)報文首部的數(shù)據(jù)并進行相應(yīng)處理，還原出完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)報文存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Ｂ中，再通知總調(diào)度程序，由總調(diào)度程序調(diào)用CAN總線控制子程序?qū)AN協(xié)議數(shù)據(jù)報文發(fā)往CAN總線。
反過來，當總調(diào)度程序通知以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Ｂ中準備好的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上時，它將調(diào)用NICInitTxFrame()、udpstartPktOut)、IPGenCheckSum()、IPStartPktout()、NICSendTxFrame()、UDPEndPktOut()等子函數(shù)進行發(fā)送處理，從而實現(xiàn)CAN總線到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。
2．3 以太網(wǎng)層應(yīng)用程序設(shè)計
以太網(wǎng)上的通信協(xié)議一般采用TCP/IP協(xié)議。本文采用流行的SOCKET套接字編程，傳輸層協(xié)議選擇UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議），通過VisuaIC++編寫用戶層程序。
WinSock提供了對UDP的支持，通過UDP協(xié)議可以向指定IP地址的透明網(wǎng)關(guān)發(fā)送CAN協(xié)議數(shù)據(jù)，同時也可以通過它接收CAN協(xié)議數(shù)據(jù)。發(fā)送和接收方處于相同的地位沒有主次之分。利用CAsynSocket類操縱無連接的數(shù)據(jù)發(fā)送較簡單。首先生成一個本地套接口（需要指明SOCK_DGRAM標記）；然后利用 int CAsyncSocket SendTO const VOID IPBuf int nBufLen UINT nHostPort LPCTSTR IpszHostADDress= NULL int nFlags=0發(fā)送數(shù)據(jù)，int CasyncSocket ReceiveFrom void IpBuf int nBufLen Cstring&rSocketADDressUINT&rSocketPort int nFlags=0接收數(shù)據(jù)。利用UDP協(xié)議可以使管理主機和89C52網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通信。同時，這種傳輸方式也易于使數(shù)據(jù)89C52網(wǎng)關(guān)透明化。
3．接入Internet部分的程序流程圖
前面已經(jīng)介紹了軟件設(shè)計的原理，這里介紹接入Internet部分的程序流程圖。
圖3 接入Internet部分的程序流程圖
4.小結(jié)
系統(tǒng)中可以采用多種單片機實現(xiàn)，只要是8位的單片機即可，內(nèi)部RAM容量大一點越好。該系統(tǒng)目前正在家庭電器的控制系統(tǒng)中使用，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，接收信息正確，表明系統(tǒng)應(yīng)用可行。
