【正文】 感謝我的指導(dǎo)老師畢勝教授。正好是 8 個字節(jié)，為一幀 CAN 數(shù)據(jù)。 CAN_Write(DownMessageBuf,t)。 int t = (int)(UpMessageBuf [ SEND_UP_BUFFER_CNT * SEND_UP_BUFFER_SIZE]8)+ UpMessageBuf[ SEND_UP_BUFFER_CNT * SEND_UP_BUFFER_SIZE + 1 ]。如果 writepos 或 readpos 等于SEND_UP_BUFFER_CNT，則讓它們歸零，便實(shí)現(xiàn)了緩沖區(qū)的重復(fù)利用，即循環(huán)緩沖。 從以太網(wǎng)上接收數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)送到指定的緩沖區(qū)，然后調(diào)用 CAN 模塊的應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)拆分打包成 CAN 數(shù)據(jù)幀，通過 SPI 接口發(fā)送到現(xiàn)場總線上。本文中使用的設(shè)置參數(shù)是： CAN 總線通信速率500Kbps、無過濾器、普通工作方式。 。 圖 CAN 控制器（ MCP2515）電路原理圖 圖 CAN 收發(fā)器電路 以太網(wǎng)電路 DM9161 是一款完全集成的和 符合成本效益單芯片快速以太網(wǎng) PHY，提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)茸饔谩? CAN 模塊的功能是處理所有 CAN 總線上的報文接收和發(fā)送。 核心模塊的外圍電路設(shè)計包括一下幾個部分： ●電源電路 ：設(shè)計電路所需的 5V 和 電壓； ●串口電路：提供系統(tǒng)所必需的傳輸控制命令的通道； ●CAN 模塊： AT91SAM9G45 通過 SPI 控制 CAN 控制器； ●以太網(wǎng)模塊： AT91SAM9G45 通過控制 DM9161，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問。 幀結(jié)束，這個段也比較簡單，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀在這個段格式一樣，由 7 個位的隱性位組成?；?ID 從 ID28 到ID18，擴(kuò)展 ID 由 ID17 到 ID0 表示。 （ 3）控制段。由此功能，當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯誤時，可將引起此故障 的單元從總線上隔離出去。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。 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)場總線來代替，對設(shè)備及控制系統(tǒng)的升級不利，有可能會影響到生產(chǎn)效益 [3]。 以 SBC6845ARM 開發(fā)板 （ 搭載內(nèi)核為 ARM9的 AT91SAM9G45 處理器 )為硬件平臺，以嵌入式 Linux 為軟件平 臺， 利用 GEDIT 工具 進(jìn)行 軟件設(shè)計， 采用 4 個線程分別處理上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)， 對 CAN總線協(xié)議和 TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn) 換， 實(shí)現(xiàn) 了 以太網(wǎng)與 CAN 總線的互聯(lián)。 CAN 總線作為現(xiàn)場總線的一種，由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計，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)時性和靈活性 [1]。 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)計方案；第五章展示了系統(tǒng)的測試過程及結(jié)果。仲裁獲勝（被判定為優(yōu)先級最高）的單元可繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失利的單元則立刻停止發(fā)送而進(jìn)行接收工作。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。檢查 幀的傳輸錯誤的段。標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀的控制段稍有不同，如圖 所示： 圖 數(shù)據(jù)幀控制段構(gòu)成 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 7 上圖中， r0 和 r1 為保 留位，必須全部以顯性電平發(fā)送，但是接收端可以接收顯性、隱性及任意組合的電平。因此，針對這種情況，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)場生產(chǎn)環(huán)境的統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。帶有一個內(nèi)置的 133MHz 并且支持 37 個 DMA通道的多層總線架構(gòu)，兩組外部總線接口，分散的存儲單元（包括一個 64KB 的 SRAM，可以根據(jù)處理器和高速外設(shè)的要求，配置成一個緊湊結(jié)合內(nèi)存（ Tightly Coupled Memory，TCM），以保持高的帶寬）。 2） 用于配置該器件及其運(yùn)行的控制邏輯和寄存器。它的自動協(xié)調(diào)功能將自動完成配置以最大限度地適合其線路帶寬。 。由于本文要傳輸?shù)氖?CAN 總線采集的傳感數(shù)據(jù)以及以基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 18 太網(wǎng)下發(fā)的控制數(shù)據(jù)，要求傳輸過程中穩(wěn)定 可靠，所以本文中采用了面向連接的TCP/IP 傳輸協(xié)議。這里借用了循環(huán)隊列的 思想。 在網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序中，同時需要轉(zhuǎn)發(fā)上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 21 3. Top_TCPRec()。 在應(yīng)用程序設(shè)計中，采用多線程處理來模擬多個網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，考慮到一般情況下從現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)比較多，而從控制室發(fā)送的命令信息可能較少，所以在這里建立一個線程負(fù)責(zé)接收以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)一個線程 用于將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到生產(chǎn)現(xiàn)場，建立一個線程專門用于現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)的讀取，將讀取的數(shù)據(jù)放到緩沖隊列中，若緩沖區(qū)滿則丟棄收到的數(shù)據(jù)，另外建立一個或幾個線程用于將現(xiàn)場總線發(fā)送來的數(shù)據(jù)也就是緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上，在排隊模型中這幾個線程相當(dāng)于服務(wù)臺，他們共同為一個隊列中的顧客服務(wù)，也就是只設(shè)置一個緩沖隊列，每個服務(wù)臺都在這個隊列中取數(shù)據(jù)發(fā)送，為防止讀取沖突，線程在讀取數(shù)據(jù)時要對緩沖隊列加鎖防止其他進(jìn)程修改隊列的頭尾指針 [14]?，F(xiàn)場總線的通信速率是個瓶頸。 同時感謝在大學(xué)四年學(xué)習(xí)過程中，所有任課老師對我的悉心指導(dǎo)與幫助；感謝實(shí)驗(yàn)室的劉闖等師兄師姐的指導(dǎo)和幫助；感謝胡曉宇同學(xué)及石鎮(zhèn)嘉、王文君學(xué)弟的幫助。 本文設(shè)計的基于嵌入式的網(wǎng)關(guān)基本實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場總線和以太網(wǎng) 的數(shù)據(jù)傳輸，但是只是實(shí)現(xiàn)了基本的功能，在今后的工作中還應(yīng)該在以下幾個方面努力： 1）對嵌入式操作系統(tǒng) Linux 的駕馭能力，能做到根據(jù)需要對 Linux 的內(nèi)核進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉?，使之既能滿足要求又不浪費(fèi)資源。測試結(jié)果如圖 所示 。 4. Top_CANSend()。 } Top_CANRec()為上行數(shù)據(jù)的 CAN 總線接收線程，不停地檢測 CAN 總線上是否有要接收的數(shù)據(jù)，如果有則將數(shù)據(jù)存入循環(huán)緩沖區(qū)，再進(jìn)行下一次的檢測。 //讀寫指針 }。 其中 sockfd 為 socked 描述符， char *buffer 為發(fā)送接收緩沖區(qū)， read()中的 nbytes為最大的接收字節(jié)數(shù)， write()中的 nbytes 為要發(fā)送的字節(jié)數(shù)。對于目標(biāo)板，因?yàn)檫x用的是采用嵌入式 Linux 作為操作系統(tǒng)來運(yùn)行應(yīng)用程序，要將嵌入式 Linux 的內(nèi)核編譯并移植到目標(biāo)板，建立起嵌入式Linux 開發(fā)環(huán)境。 以太網(wǎng)控制器 硬件 電路及 RJ45 連接器電路分別如圖 和 圖 所示。器件還有三個引腳，用來啟動將裝載在三個發(fā)送緩沖器之一中的報文立即發(fā)送出去。 MCP2515 自帶的兩個驗(yàn)收屏蔽寄存器和六個驗(yàn)收濾波寄存器可以過濾掉不想要的報文，因此減少了主單片機(jī)（ MCU）的開銷。 硬件總體方案設(shè)計 硬件平臺的選型和設(shè) 計是很重要的，因?yàn)檐浖_發(fā)也是基于硬件的，沒有好的硬件軟件設(shè)計也會受限制，因此如何選擇合適的硬件平臺，使其性價比高而又能滿足系統(tǒng)控制的要求是很關(guān)鍵的。 ACK 段，此段用來確認(rèn)是否正常接收。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 6 幀起始，這個比較簡單，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀都是由 1 個位的顯性電平表示幀起始。標(biāo)準(zhǔn)格式有 11 個位的標(biāo)識符 ID，擴(kuò)展格式有 29 個位的 ID。 4）具有錯誤檢測、錯誤通知和錯誤恢復(fù)功能。 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)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。 現(xiàn)場總線的當(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)。 大連海事大 學(xué) 畢業(yè)論文 二○一四年六月 ┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊ 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 專業(yè)班級： 通信工程 3 班 姓 名： 計平元 指導(dǎo)教師： 畢 勝 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 I 摘 要 CAN 總線作為現(xiàn)場總線的一種，與一般的通信總線相比，具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性?，F(xiàn)在的工業(yè)現(xiàn)場總線控制網(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，將現(xiàn)場信息經(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)對生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)控與管理 [2]。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]。最高 1Mbps（距離小于 40M）， 最遠(yuǎn)可達(dá) 10KM（速率低于 5Kbps）。 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。 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。接收方以同樣的算法計算 CRC 值并進(jìn)行比較，不一致時會通報錯誤。同時，該計算機(jī)也可以在一定的平臺上對現(xiàn)場下達(dá)命令，該命令在 Ethemet 上，以 TCP/IP 協(xié)議的形式傳送出去，經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換功能將 TCP/IP 協(xié)議形式轉(zhuǎn)換成 CAN 協(xié)議形式，然后傳送到 CAN 總線上，現(xiàn)場設(shè)備接收到命令后執(zhí)行命令，這樣就實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該器件能發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀以及遠(yuǎn)程幀。通用中 斷引腳和狀態(tài)寄存器（通過 SPI 接口訪問）也可用來確定何時接收了有效報文。 如： 計算機(jī)基站，上網(wǎng)本和超便個人電腦（ UMPC），移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，數(shù)字電視，錄像機(jī)，機(jī)頂盒，網(wǎng)絡(luò) 打印機(jī)，游戲主機(jī)，獨(dú)立式 USB 以太網(wǎng)適配器，嵌入式系統(tǒng)，工業(yè)應(yīng)用，電力抄表，自動化設(shè)備，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，醫(yī)療設(shè)備。所以首先要做的就是在一臺 PC 機(jī)上安裝 Linux 操作系統(tǒng)，本文選用的是 版本的操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)安裝完成后， 將 軟件包安裝到 PC 中，建立好交叉編譯環(huán)境。 write(int sockfd, char *buffer, int bytes)。 char readpos , writepos。SendUpBuf)。 } } Top_TCPRec()為下行數(shù)據(jù)的 TCP 接收線程， 檢測服務(wù)器上是否有下發(fā)的數(shù)據(jù)，如果檢測到，則存入緩沖區(qū)。連接上網(wǎng)線后，在串口調(diào)試中斷中輸入 “ping ” 指令，則網(wǎng)關(guān)會 ping 主機(jī)。另外對于網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)安全性和收到錯誤數(shù)據(jù)或產(chǎn)生其他異常的故障處理沒有詳加討論。 感謝我的父母、姐姐，他們給予了我強(qiáng)大的精神上和物質(zhì)上的支持，感謝他們的信任