CAN總線與以太網互連的嵌入式網關設計

由于以太網技術的發展和完善，尤其是傳輸速率的提高和交互技術的發展，以太網以其在傳輸速度、可靠性、使用靈活、軟硬件資源豐富等方面的優勢在現場控制領域得到廣泛的應用。CAN總線技術是目前自動化控制領域中最具有前景的技術之一，它在分散控制效果、開放性、糾錯能力、價格等方面具有很強的優勢，將CAN總線與以太網互連可實現現場控制從設備到管理層的一體化，能夠提高生產效率、降低生產成本。

1 硬件結構

本設計采用了MCU+接口芯片的方法，其硬件框圖見圖1，系統工作原理為：以太網中發送數據和請求到以太網接口芯片RTL8019AS，RTL8019AS將處理后的以太網幀送入控制器P89V51RC2內部的TCP/IP協議棧，由單片機內部的協議棧對數據報進行解析后得到原始的請求和控制信息，然后送到CAN控制器進行CAN協議格式和數據封裝，經過封轉后的數據便可以喝現場的CAN總線設備進行通信。回復信息的過程與上面相反。

圖1 系統硬件框圖

1.1 主控芯片及以太網接口模塊

本系統選擇性能價格比較高的NXP公司的P89V51RC2單片機，操作頻率為0～40MHz，包含32kB Flash，1024字節的內部存儲器和64kB的外部數據存儲器，同時具有低功耗、在系統編程，多時鐘模式等特點，值得一提的是它的X2方式選項。利用該特性可在相同時鐘頻率下獲得2倍的吞吐量，或者時鐘頻率減半而保持特性不變，這樣可以極大地降低電磁干擾(EMI)。P89V51RC2豐富的片上資源非常適合于通信網關、協議轉換器的應用。

以太網接口選用的是Realtek公司生產的全雙工即插即用型RTL8019AS芯片，RTL8019AS接口符合Ethernet2和IEEE802.3標準，兼容RTL8019軟件和NE2000的傳輸，芯片是RTL8019內核，內部集成了一個16KB雙端口RAM。支持UTP、AUI、BNC、和PNP自動檢測模式，主控芯片和以太網接口芯片的硬件接口原理圖見圖2，系統擴展了一個32K的外部RAM。

圖2 以太網接口電路原理圖

1.2 CAN 接口模塊

CAN模塊的由CAN控制器SJA1000和收發器CTM1050組成，CAN總線控制器是CAN總線網絡的層次結構中數據鏈路層和物理層的執行者，主要完成CAN的通訊協議，實現報文的裝配和拆分、接收信息的過濾和校驗等工作。SJA1000是Philips 公司生產的一款高速CAN控制器，其速率最高可達1Mbips，內部擴展有64BitFlF0結構的接收緩沖器，工作溫度范圍為-40℃～-125 ℃，非常適合工業現場使用。SJA1000有兩種工作模式：BasicCAN模式和PeLi CAN模式，其Peli CAN工作模式支持CAN2. 0B協議。CTM1050是一款帶隔離的高速CAN收發器模塊，具有CAN-bus總線過電壓保護作用，該模塊內部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發器件，模塊的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，并且具有DC 2500V的隔離功能。采用CTM1050模塊可以大大減少CAN-Bus硬件線路的難度，SJA1000的TXO與RXO直接與CTM1050的TXD、RXD相連。