【正文】 ..................... 24 網(wǎng)口連接測(cè)試 ........................................................................................................ 24 網(wǎng)關(guān)工作狀態(tài)測(cè)試 ................................................................................................ 24 IV 第 6 章 結(jié)論及展望 ........................................................................................................ 28 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 29 致 謝 ............................................................................................................................. 30 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第 1章 緒論 課題研究的背景及意義 現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù) 字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。 CAN 總線作為現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比， CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性 [1]。 以太網(wǎng) （ Ether） 作為 互連網(wǎng)的一種最普及的局域網(wǎng)技術(shù)，具有較好的技術(shù)穩(wěn)定性和傳輸數(shù)據(jù)的高效性等特點(diǎn)，此外，以太網(wǎng)還可以方便的與干線網(wǎng)絡(luò)連接，整個(gè)控制系統(tǒng)還能夠支持互連網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程訪問。因此，使用以太網(wǎng)作為工業(yè)控制的上層網(wǎng)絡(luò)有著十分明顯的優(yōu)勢(shì)。 本文設(shè)計(jì)并實(shí) 現(xiàn)了一種基于嵌入式平臺(tái)的 CAN 總線和以太網(wǎng)互聯(lián)的網(wǎng)關(guān)，有效解決了底層現(xiàn)場(chǎng)總線與上層控制系統(tǒng)的互聯(lián)問題。 CAN 總線和以太網(wǎng) 技術(shù) 的 研究 現(xiàn)狀 CAN 總線的研究現(xiàn)狀 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)包含范圍比較廣泛，并不只是指單一的通信總線，而是指一個(gè)整個(gè)的系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含智能化生產(chǎn)設(shè)備，將現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用到這些設(shè)備中，使原本簡單的普通設(shè)備升級(jí)成數(shù)字通信智能設(shè)備?，F(xiàn)在的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，在各個(gè)領(lǐng)域也都得到了廣泛的應(yīng)用，雖然沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是幾種著名的總線都已經(jīng)做的比較成熟能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的 需要，在和以太網(wǎng)技術(shù)共同應(yīng)用時(shí)，將現(xiàn)場(chǎng)信息經(jīng)網(wǎng)關(guān)傳到以太網(wǎng)上然后再傳遞到控制室，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控與管理 [2]。 現(xiàn)場(chǎng)總線的當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r：多種總線共存、總線的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展、各種總線以企業(yè)為支撐、各種總線相繼成為自己國家或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)、以太網(wǎng)成為新的熱點(diǎn)。 本文正是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線及以太網(wǎng)的當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)，市場(chǎng) 上 CAN 和以太網(wǎng)基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2 互聯(lián)的產(chǎn)品還不是很成熟的狀況提出來的。 以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀 以太網(wǎng)作為一種應(yīng)用廣泛的局域網(wǎng)已經(jīng)成為了我們生活中必不可少的一部分，它以其自身的高可靠性、方便易用等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣大用戶的青 睞。 工業(yè)以太網(wǎng)是一個(gè)新的概念，它指的是在復(fù)雜的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用以太網(wǎng)技術(shù)，這就要求針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境的惡劣性對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，主體部分不動(dòng)，針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)做出改進(jìn)，使之既能夠適應(yīng)物理上復(fù)雜惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，又能夠滿足工業(yè)控制在通信實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)安全等方面的要求。當(dāng)然，現(xiàn)階段的技術(shù)還無法將網(wǎng)絡(luò)直接連接到現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀表與設(shè)備上，因?yàn)樵O(shè)備的種類太多，各自遵循的標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，而以太網(wǎng)技術(shù)的最初的發(fā)展也不是針對(duì)工業(yè)控制來設(shè)計(jì)的，所以在現(xiàn)階段情況下，還是要將以太網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)與適用于工業(yè)控制的控 制局域網(wǎng)總線連接起來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與工業(yè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)到對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控和管理的目的。 以太網(wǎng)現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用很廣泛，技術(shù)方面也很成熟，然而在工業(yè)控制中，現(xiàn)場(chǎng)總線的種類和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)卻有很多，并且各種總線之間一般情況下無法相互兼容，每一個(gè)開發(fā)廠商都有自己的標(biāo)準(zhǔn)，這種情況導(dǎo)致了如果一個(gè)客戶選擇了某一種總線用在工業(yè)控制系統(tǒng)中就很難改變，很難再用另一種現(xiàn)場(chǎng)總線來代替，對(duì)設(shè)備及控制系統(tǒng)的升級(jí)不利，有可能會(huì)影響到生產(chǎn)效益 [3]。因此，針對(duì)這種情況，有必要提出一種新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，就是基于以太網(wǎng)技術(shù)，并且將這種技術(shù)擴(kuò)展到工 業(yè)中使之在將來能夠發(fā)展成為適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境的統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在，國際上相關(guān)組織也開始著手做這項(xiàng)工作，制定出了一些工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，在未來直接將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，取代現(xiàn)在的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，這是一個(gè)必然的趨勢(shì)，在這方面需要做的工作還有很多?，F(xiàn)階段的現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備之間的通信還是離不開現(xiàn)場(chǎng)總線，還是需要將以太網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換連接進(jìn)來與設(shè)備儀表進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)上層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的一體化。 本文的主要 工作 本文的主要任務(wù)是以嵌入式 Linux 為軟件平臺(tái)，以 ATMEL 公司的AT91SAM9G45 芯片為微 處理器，以深圳市天漠科技有限公司的 SBC6845ARM 開發(fā)板為硬件平臺(tái)，在對(duì) CAN 總線、以太網(wǎng)工作原理深入分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì) 嵌入式CANEther 網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn) CAN 總線和以太網(wǎng)的互聯(lián) 通信。 本文中 ，前兩章 概述了國內(nèi)外 CAN 總線和以太網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀 并 簡要的介紹了這兩種通信協(xié)議及其特點(diǎn) ；第三章介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及原理；在第四章中，著重闡明了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案；第五章展示了系統(tǒng)的測(cè)試過程及結(jié)果。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3 第 2章 CAN 總線和以太網(wǎng) 簡介 CAN 總線簡介 CAN 是 Controller Area Network 的縮 寫（以下稱為 CAN），是 ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對(duì)安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng) “減少線束的數(shù)量 ”、 “通過多個(gè) LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信 ”的需要， 1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的 CAN 通信協(xié)議。此后， CAN 通過 ISO11898 及 ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 [4]。 現(xiàn)在， CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。 CAN 控制器根據(jù)兩根線上的電位差來判斷總線電平?？偩€電平分為顯性電平和隱性電平，二者必居其一。發(fā)送方通過使總線電平發(fā)生變化，將消息發(fā)送給接收方。 CAN 協(xié)議具有以下特點(diǎn)： 1）多主控制。在總線空閑時(shí)，所有單元都可以發(fā)送消息（多主控制），而兩個(gè)以上的單元 同時(shí)開始發(fā)送消息時(shí)，根據(jù)標(biāo)識(shí)符（ Identifier 以下稱為 ID）決定優(yōu)先級(jí)。 ID 并不是表示發(fā)送的目的地址，而是表示訪問總線的消息的優(yōu)先級(jí)。兩個(gè)以上的單元同時(shí)開始發(fā)送消息時(shí)，對(duì)各消息 ID 的每個(gè)位進(jìn)行逐個(gè)仲裁比較。仲裁獲勝（被判定為優(yōu)先級(jí)最高）的單元可繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失利的單元?jiǎng)t立刻停止發(fā)送而進(jìn)行接收工作。 2）系統(tǒng)的柔軟性。與總線相連的單元沒有類似于 “地址 ”的信息。因此在總線上增加單元時(shí)，連接在總線上的其它單元的軟硬件及應(yīng)用層都不需要改變。 3）通信速度較快，通信距離遠(yuǎn)。最高 1Mbps（距離小于 40M）， 最遠(yuǎn)可達(dá) 10KM（速率低于 5Kbps）。 4）具有錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤通知和錯(cuò)誤恢復(fù)功能。所有單元都可以檢測(cè)錯(cuò)誤（錯(cuò)誤檢測(cè)功能），檢測(cè)出錯(cuò)誤的單元會(huì)立即同時(shí)通知其他所有單元（錯(cuò)誤通知功能），基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4 正在發(fā)送消息的單元一旦檢測(cè)出錯(cuò)誤，會(huì)強(qiáng)制結(jié)束當(dāng)前的發(fā)送。強(qiáng)制結(jié)束發(fā)送的單元會(huì)不斷反復(fù)地重新發(fā)送此消息直到成功發(fā)送為止（錯(cuò)誤恢復(fù)功能）。 5）故障封閉功能。 CAN 可以判斷出錯(cuò)誤的類型是總線上暫時(shí)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（如外部噪聲等）還是持續(xù)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（如單元內(nèi)部故障、驅(qū)動(dòng)器故障、斷線等）。由此功能，當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，可將引起此故障 的單元從總線上隔離出去。 6）連接節(jié)點(diǎn)多。 CAN 總線是可同時(shí)連接多個(gè)單元的總線?？蛇B接的單元總數(shù)理論上是沒有限制的。但實(shí)際上可連接的單元數(shù)受總線上的時(shí)間延遲及電氣負(fù)載的限制。降低通信速度，可連接的單元數(shù)增加；提高通信速度，則可連接的單元數(shù)減少。 正是因?yàn)?CAN 協(xié)議的這些特點(diǎn)，使得 CAN 特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，并且得到了極大的發(fā)展。 CAN 協(xié)議經(jīng)過 ISO 標(biāo)準(zhǔn)化后有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)： ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)和 ISO115192 標(biāo)準(zhǔn)。其中 ISO11898 是針對(duì)通信速率為 125Kbps~1Mbps 的高速通信標(biāo)準(zhǔn)，而 ISO115192是針對(duì)通信速率為 125Kbps 以下的低速通信標(biāo)準(zhǔn) [5]。 本章，我們針對(duì) ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)，闡述該標(biāo)準(zhǔn)的物理層特征。 CAN 協(xié)議是通過以下 5 種類型的幀進(jìn)行的： ●數(shù)據(jù)幀 ●遙控幀 ●錯(cuò)誤幀 ●過載幀 ●幀間隔 另外，數(shù)據(jù)幀和遙控幀有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式兩種格式。標(biāo)準(zhǔn)格式有 11 個(gè)位的標(biāo)識(shí)符 ID，擴(kuò)展格式有 29 個(gè)位的 ID。各種幀的用途如 下 表所示： 表 CAN 總線幀類型及用途 幀類型 幀用途 數(shù)據(jù)幀 用于發(fā)送單元向 接收單元傳送數(shù)據(jù)的幀 遙控幀 用于接收單元向具有相同 ID 的發(fā)送單元請(qǐng)求數(shù)據(jù)的幀 錯(cuò)誤幀 用于當(dāng)檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)向其它單元通知錯(cuò)誤的幀 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 5 過載幀 用于接收單元通知其尚未做好接收準(zhǔn)備的幀 間隔幀 用于將數(shù)據(jù)幀及遙控幀與前面的幀分離開來的幀 由于篇幅所限，我們這里僅對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行詳細(xì)介紹，數(shù)據(jù)幀一般由 7 個(gè)段構(gòu)成，即： （ 1）幀起始。表示數(shù)據(jù)幀開始的段。 （ 2）仲裁段。表示該幀優(yōu)先級(jí)的段。 （ 3）控制段。表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)及保留位的段。 （ 4）數(shù)據(jù)段。數(shù)據(jù)的內(nèi)容，一幀可發(fā)送 0~8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。 （ 5） CRC 段。檢查 幀的傳輸錯(cuò)誤的段。 （ 6） ACK 段。表示確認(rèn)正常接收的段。 （ 7）幀結(jié)束。表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束的段。 數(shù)據(jù)幀的構(gòu)成如圖 所示： 圖 數(shù)據(jù)幀的構(gòu)成 注：圖中 D 表示顯性電平， R 表示隱形電平。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 6 幀起始，這個(gè)比較簡單，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀都是由 1 個(gè)位的顯性電平表示幀起始。 仲裁段，表示數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)的段，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀格式在本