【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 段有所區(qū)別，如圖 所示： 圖 數(shù)據(jù)幀仲裁段構(gòu)成 標(biāo)準(zhǔn)格式的 ID 有 11 個(gè)位。從 ID28 到 ID18 被依次發(fā)送。禁止高 7 位都為隱性（禁止設(shè)定： ID=1111111XXXX）。擴(kuò)展格式的 ID 有 29 個(gè)位?；?ID 從 ID28 到ID18，擴(kuò)展 ID 由 ID17 到 ID0 表示?；?ID 和標(biāo)準(zhǔn)格式的 ID 相同。禁止高 7 位都為隱性（禁止設(shè)定：基本 ID=1111111XXXX）。 其中 RTR 位用于標(biāo)識(shí)是否是遠(yuǎn)程幀（ 0，數(shù)據(jù)幀； 1，遠(yuǎn)程幀）， IDE 位為標(biāo)識(shí)符選擇位（ 0，使用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符； 1，使用擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符）， SRR 位為代替遠(yuǎn)程請(qǐng)求位，為隱性位，它代替了標(biāo)準(zhǔn)幀中的 RTR 位。 控制段，由 6 個(gè)位構(gòu)成，表示數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)。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(jì)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。 DLC 段為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度表示段，高位在前， DLC 段有效值為 0~8，但是接收方接收到 9~15 的時(shí)候并不認(rèn)為是錯(cuò)誤。 數(shù)據(jù)段，該段可包含 0~8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。從最高位（ MSB）開(kāi)始輸出，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀在這個(gè)段的定義都是一樣的 ， 如圖 所示： 圖 數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)段構(gòu)成 CRC 段，該段用于檢查幀傳輸錯(cuò)誤。由 15 個(gè)位的 CRC 順序和 1 個(gè)位的 CRC界 定符（用分隔的位）組成，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀在這個(gè)段的格式也是相同的 ， 如圖 所示： 圖 數(shù) 據(jù)幀 CRC 段構(gòu)成 此段 CRC 的值計(jì)算范圍包括：幀起始、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段。接收方以同樣的算法計(jì)算 CRC 值并進(jìn)行比較，不一致時(shí)會(huì)通報(bào)錯(cuò)誤。 ACK 段，此段用來(lái)確認(rèn)是否正常接收。由 ACK 槽（ ACK Slot）和 ACK 界定符 2 個(gè)位組成。標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀在這個(gè)段的格式也是相同的 ， 如圖 所示： 圖 數(shù)據(jù)幀 CRC 段構(gòu)成 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 8 發(fā)送單元的 ACK，發(fā)送 2 個(gè)位的隱性位，而接收到正確消息的單元在 ACK 槽（ ACK Slot）發(fā)送顯性位，通知發(fā)送單元正常接收結(jié)束，這個(gè)過(guò)程叫發(fā)送 ACK/返回 ACK。發(fā)送 ACK 的是在既不處于 總線(xiàn)關(guān)閉態(tài)也不處于休眠態(tài)的所有接收單元中，接收到正常消息的單元（發(fā)送單元不發(fā)送 ACK）。所謂正常消息是指不含填充錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤、 CRC 錯(cuò)誤的消息 [6]。 幀結(jié)束，這個(gè)段也比較簡(jiǎn)單，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀在這個(gè)段格式一樣，由 7 個(gè)位的隱性位組成。 以太網(wǎng)簡(jiǎn)介 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(hù)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(mǎn)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(wú)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(lèi)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(lái)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(guò)網(wǎng)關(guān)與適用于工業(yè)控制的控制局域網(wǎng)總線(xiàn)連接起來(lái)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(xiàn)的種類(lèi)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)卻有很多，并且各種總線(xiàn)之間一般情況下無(wú)法相互兼容，每一個(gè)開(kāi)發(fā)廠(chǎng)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(hù)選擇了某一種總線(xiàn)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(xiàn)來(lái)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。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(lái)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(guó)際上相關(guān)組織也開(kāi)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(lái)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(xiàn)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(kāi)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，還是需要將以太網(wǎng)通過(guò)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換連接進(jìn)來(lái)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 [7]。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 9 第 3章 系統(tǒng) 硬件 設(shè)計(jì) 本文所設(shè)計(jì)的嵌入式協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng) 關(guān)， 實(shí)現(xiàn) 了 CAN 總線(xiàn)與以太網(wǎng)的互聯(lián)，即 以太網(wǎng)能夠通過(guò)網(wǎng)關(guān)讀取 CAN 總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以向 CAN 總線(xiàn)發(fā)送命令以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控 ， 網(wǎng)關(guān) 工作示意圖 如圖 所示。 圖 網(wǎng)關(guān) 工作示意 圖 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的信息可以通過(guò) CAN 協(xié)議傳送出去，經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能將 CAN 協(xié)議形式轉(zhuǎn)換成 TCP 協(xié)議形式，然后傳送到 Ethemet 上，連接到 Ether 上的遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)可以通過(guò)一定的權(quán)限，在一定的平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。同時(shí)，該計(jì)算機(jī)也可以在一定的平臺(tái)上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(xiàn)上，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接收到命令后執(zhí)行命令，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。 硬件總體方案設(shè)計(jì) 硬件平臺(tái)的選型和設(shè) 計(jì)是很重要的，因?yàn)檐浖_(kāi)發(fā)也是基于硬件的，沒(méi)有好的硬件軟件設(shè)計(jì)也會(huì)受限制，因此如何選擇合適的硬件平臺(tái)，使其性?xún)r(jià)比高而又能滿(mǎn)足系統(tǒng)控制的要求是很關(guān)鍵的。網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換的必不可少的部分是以太網(wǎng)控制器芯片、 CAN 控制器芯片和 CAN 收發(fā)器的選擇和接口設(shè)計(jì)。本文以 AT91SAM9G45作為核心處理器， CAN 總線(xiàn)控制器選用 MCP2515， CAN 收發(fā)器采用 PCA81C251芯片。以太網(wǎng)控制器選用，本章介紹了本系統(tǒng)選擇的這些器件以及關(guān)鍵部分硬件電路的設(shè)計(jì)。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 10 C P UA T 9 1 S A M 9 G 4 5電源供電網(wǎng)口控制器 C A N 控制器C A N 接口R J 4 5M A X 2 3 2D B 9串口 圖 硬件總體結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)的 硬件組成 如圖 所示 ， 方框中 中央處 理器 （ Central Processing Unit，CPU） 為本系統(tǒng)核心部分，集成有 AT91SAM9G45 處理器、 SDRAM 存儲(chǔ)器、 Flash存儲(chǔ)器 [8]。 核心模塊的外圍電路設(shè)計(jì)包括一下幾個(gè)部分： ●電源電路 ：設(shè)計(jì)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(guò) SPI 控制 CAN 控制器； ●以太網(wǎng)模塊： AT91SAM9G45 通過(guò)控制 DM9161，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)。 網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)物 如圖 所示 ，采用的是 SBC6845 開(kāi)發(fā)板。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 11 圖 網(wǎng)關(guān)硬件實(shí)物圖 硬件電路設(shè)計(jì) 核心處理器 基于 ARM926EJS 的 AT91SAM9G45 集成了常用的和具有高傳輸速率的硬件接口，包括 LCD 控制器，電阻式觸摸屏控制器，圖像傳感器接口，聲音控制器， 10/100M 以太網(wǎng)控制器和高速 USB 和 SDIO 控制器。當(dāng)處理器以 400MHz處理多組超過(guò) 100Mbps 的高速外設(shè)時(shí)， AT91SAM9G45 能夠以足夠的帶寬去處理包括網(wǎng)絡(luò)和本地多媒體的數(shù)據(jù)，以提供滿(mǎn)意的用戶(hù)體驗(yàn)。 AT91SAM9G45 支持最新 的用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的 DDR2 和 NAND Flash 儲(chǔ)存器接口。帶有一個(gè)內(nèi)置的 133MHz 并且支持 37 個(gè) DMA通道的多層總線(xiàn)架構(gòu)，兩組外部總線(xiàn)接口，分散的存儲(chǔ)單元（包括一個(gè) 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(gè)緊湊結(jié)合內(nèi)存（ Tightly Coupled Memory，TCM），以保持高的帶寬）。 I/O 接口支持 和 工作電壓，這些可以為存儲(chǔ)接口和外設(shè) I/O 接口單獨(dú)配置基于這個(gè)特點(diǎn)，它能夠完全滿(mǎn)足不同外設(shè)的電平需要。而且它是以 球間距進(jìn)行封裝，能夠給 PCB 廠(chǎng)商降低相應(yīng)的 成本。 AT91SAM9G45 電源管理控制器使用門(mén)控時(shí)鐘（ clock gating）和電池備份組件使得在活動(dòng)和就緒模式下把功耗降到最低。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 12 CAN 總線(xiàn)電路 Microchip 的 MCP2515 是一款獨(dú)立控制器局域網(wǎng)（ Controller Area Network，CAN）協(xié)議控制器，完全支持 CAN 技術(shù)規(guī)范。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。 MCP2515 自帶的兩個(gè)驗(yàn)收屏蔽寄存器和六個(gè)驗(yàn)收濾波寄存器可以過(guò)濾掉不想要的報(bào)文，因此減少了主單片機(jī)（ MCU）的開(kāi)銷(xiāo)。MCP2515 與 MCU 的 連 接 是 通 過(guò) 業(yè) 界 標(biāo) 準(zhǔn) 串 行 外 設(shè) 接 口 （ Serial Peripheral Interface， SPI）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 MCP2515 是一款獨(dú)立 CAN 控制器，可簡(jiǎn)化需要與 CAN 總線(xiàn)連接的應(yīng)用。 MCP2515 的 內(nèi)部 結(jié)構(gòu) 如圖 所示 。該器件主要由三個(gè)部分組成： 圖 MCP2515 結(jié)構(gòu)框圖 1） CAN 模塊，包括 CAN 協(xié)議引擎、驗(yàn)收濾波寄存器、驗(yàn)收屏蔽寄存器、發(fā)送和接收緩沖器。 CAN 模塊的功能是處理所有 CAN 總線(xiàn)上的報(bào)文接收和發(fā)送。報(bào)文發(fā)送時(shí)，首先將報(bào)文裝載到正確的報(bào)文緩沖器和控制寄存器中。通過(guò) SPI 接口設(shè)置控制寄 存器中的相應(yīng)位或使用發(fā)送使能引腳均可啟動(dòng)發(fā)送操作。通過(guò)讀取相應(yīng)的寄存器可以檢查通訊狀態(tài)和錯(cuò)誤。會(huì)對(duì) CAN 總線(xiàn)上檢測(cè)到的任何報(bào)文進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，然后與用戶(hù)定義的濾波器進(jìn)行匹配，以確定是否將報(bào)文移到兩個(gè)接收緩沖器中的一個(gè)。 2） 用于配置該器件及其運(yùn)行的控制邏輯和寄存器。 通過(guò)與其他模塊連接，控制邏輯模塊控制 MCP2515 的設(shè)置和運(yùn)行，以便傳輸信息與控制。所提供的中斷引腳提高了系統(tǒng)的靈活性。器件上有一基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 13 個(gè)多用途中斷引腳及各接收緩沖器的專(zhuān)用中斷引腳，用于指示有效報(bào)文是否被接收并載入接收緩沖器?？蛇x擇使用專(zhuān)用中斷引腳。通用中 斷引腳和狀態(tài)寄存器（通過(guò) SPI 接口訪(fǎng)問(wèn)）也可用來(lái)確定何時(shí)接收了有效報(bào)文。器件還有三個(gè)引腳，用來(lái)啟動(dòng)將裝載在三個(gè)發(fā)送緩沖器之一中的報(bào)文立即發(fā)送出去。是否使用這些引腳由用戶(hù)決定；若不使用，也可利用控制寄存器（通過(guò) SPI 接口訪(fǎng)問(wèn)）來(lái)啟動(dòng)報(bào)文發(fā)送。 3） SPI 協(xié)議模塊。 MCU 通過(guò) SPI 接口與該器件連接。使用標(biāo)準(zhǔn)的 SPI 讀 /寫(xiě)指令以及專(zhuān)門(mén)的 SPI 命令來(lái)讀 /寫(xiě)所有的寄存器 [9]。 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?DM9161CEP 還提供了介質(zhì)無(wú)關(guān)的接口，來(lái)連接所有提供