摘要：首先介绍了CAN总线和以太网网络互连的可行性和实施方案，然后就以ARM7芯片LPC2194为电路核心，介绍了2种网络通讯转换模块的硬件和软件设计，从而完成底层监控层和上级控制层数据交换和实现远程控制的功能。

关键词：CAN总线   ARM  以太网  LPC2194

1. 引言

随着工业监测系统从传统的集中测量控制系统转向网络化的集散控制系统的发展，以及现场总线技术高速发展和标准化程度的不断提高，以现场总线技术为基础的开放型集散监测系统—现场总线监测系统得到了广泛的应用。将以太网技术与工业底层网络融合联通有以下好处：其高速，大容量的特性适应不断增长的信息要求；可以做到与上层信息管理层或决策层的无缝连接；设备和软件成本大幅下降；以太网技术相对普及，人才成本下降。这样可以将以太网作为信息传递的主干网，连接现场总线和其他高级设备的新型网络结构是工业控制网络的发展趋势。

CAN/Ethernet通信模块是一种直接连接以太网和CAN现场总线的设备，有效解决了控制系统中现场总线和上层信息管理层的互联问题，采用基于ARM微处理器的单板机系统建立CAN/Ethernet通信模块，缩短开发周期，提高系统可靠性，降低系统的成本，具有良好的性价比。CAN总线和以太网连接通信模块如图1所示。

图1 CAN总线和以太网连接通信模块

2．互联转换模块的总体设计方案

所谓互联转换模块通俗的讲就是网关，CAN/Ethernet网关连接的是2个通信协议和结构完全不同的网络。对于CAN/Ethernet网关来说，它的工作际上是对信息重新封装以使它们能够被Ethernet或CAN网所读取。

对于网关来说，它必须能够读取和发送Ethernet和CAN网上的数据。因此，它必须具备CAN以及Ethernet所定义的网络层次。CAN/Ethernet网关的基本模型结构图如图2所示。

图2  CAN/Ethernet网关的基本模型结构图

3．系统硬件实现

根据网关的功能，网关系统主要由3部分组成；CAN总线接口模块、协议处理单元模块和Ethernet接口模块。在本设计中协议处理单元中的微处理器采用了Philipe公司生产的带有CAN接口的LPC2194，它和CAN收发器MCP2551相连，就可以直接接到CAN总线上，实现CAN总线接口的功能。CAN收发器MCP2551提供对总线差动接收和发送能力。CAN/Ethernet网关硬件框图如图3所示。网关硬件框图中与图3所示的CAN总线物理层和数据链路层相对应的是具有CAN总线接口的LPC2194处理器和CAN收发器MCP2551。而图3所示中Ethernet物理层和数据链路层则与硬件框图中的以太网控制芯片RTL8019AS和隔离滤波器HR901170A相对应。其中LPC2194即是整个系统的主CPU，也是网关部分的核心，将CAN总线数据转换成以太网数据包，或反之。

图3   CAN/Ethernet网关硬件框图

当有下层数据，即CAN总线要通过以太网向管理层发送数据时，系统首先通过CAN网络上的接口模块接收来自CAN总线上各个设备节点的数据，并将其发送到网关，然后由网关负责将CAN协议的数据格式转换成以太网协议的数据包格式，并按照要求发给以以太网接口部分即以太网控制芯片，通过以太网接口部分配置网关的IP地址、MAC地址，加上以太网帧的首部和尾部信息等，从而将数据成功地传送到以太网信息管理层。而以太网上的管理层的控制命令的数据向CAN节点传输时，则过程则相反。Ethernet接口电路采用台湾Realtek公司生产的以太网控制芯片RTL8019AS和隔离滤波器HR901170A来实现。

4．系统软件实现

系统通信软件主要有CAN数据帧的中断服务程序、RTL8019AS的驱动程序和协议转换程序三部分。以太网通信软件的设计包括以太网卡控制器的驱动程序设计和上层协议转换程序设计。以太网网卡控制器RTL8019AS的驱动程序主要包括三部分：网卡芯片上的上电初始化，以太网数据的接收和以太网数据的发送。数据在发送前必须由上到下层层封装才能正确地发送出去；同时，接收到数据包后还要通过自下而上的层层解包才能为用户所识别，即协议分解。在协议的变成实现中，数据封装与协议分解互为逆过程。以太网数据包转换成CAN数据包流程图和CAN数据包转换成以太网数据包流程如下图4所示。

图4  以太网数据包与CAN数据包互换流程图

5．结语

本文阐述了CAN总线和以太网之间实现通讯的的相关硬件设计和软件设计，从而完成底层监控层和上级控制层数据交换和实现远程控制的功能。设计研究了一种低成本、高可靠性、快捷的总线与以太网互连方案。该互连方案保证管理监控层与生产测控层之间的连接，方便了上下层信息交流，并借助以太网和 Internet 能方便地实现互联，CAN网络上监控仪表的数据访问可以方便地扩展到整个广域网范围内，实现基于 Internet 的远程控制，从而满足工厂、变电站等工业场合的应用要求。

参考文献

[1] 阳宪惠.现场总线技术及其应用.清华大学出版社，1999.

[2] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计.北京航空航天大学出版社，1996

[3] Philips Semicon duceors[s] .Specification(Version 2.0) .1999.