【文章內(nèi)容簡介】 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）。擴展格式的 ID 有 29 個位?；?ID 從 ID28 到ID18，擴展 ID 由 ID17 到 ID0 表示。基本 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)識是否是遠(yuǎn)程幀（ 0，數(shù)據(jù)幀； 1，遠(yuǎn)程幀）， IDE 位為標(biāo)識符選擇位（ 0，使用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符； 1，使用擴展標(biāo)識符）， SRR 位為代替遠(yuǎn)程請求位，為隱性位，它代替了標(biāo)準(zhǔn)幀中的 RTR 位。 控制段，由 6 個位構(gòu)成，表示數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)幀和擴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 的時候并不認(rèn)為是錯誤。 數(shù)據(jù)段，該段可包含 0~8 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。從最高位（ MSB）開始輸出，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀在這個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誤。由 15 個位的 CRC 順序和 1 個位的 CRC界 定符（用分隔的位）組成，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀在這個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算 CRC 值并進(jìn)行比較，不一致時會通報錯誤。 ACK 段，此段用來確認(rèn)是否正常接收。由 ACK 槽（ ACK Slot）和 ACK 界定符 2 個位組成。標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀在這個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)計與實現(xiàn) 8 發(fā)送單元的 ACK，發(fā)送 2 個位的隱性位，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，這個過程叫發(fā)送 ACK/返回 ACK。發(fā)送 ACK 的是在既不處于 總線關(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誤、格式錯誤、 CRC 錯誤的消息 [6]。 幀結(jié)束，這個段也比較簡單，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀在這個段格式一樣，由 7 個位的隱性位組成。 以太網(wǎng)簡介 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)點獲得了廣大用戶的青睞。 工業(yè)以太網(wǎng)是一個新的概念，它指的是在復(fù)雜的生產(chǎn)現(xiàn)場中應(yīng)用以太網(wǎng)技術(shù)，這就要求針對工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境的惡劣性對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn) ，主體部分不動，針對工業(yè)控制系統(tǒng)的特點對以太網(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)場環(huán)境，又能夠滿足工業(yè)控制在通信實時性、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)場的智能化儀表與設(shè)備上，因為設(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)展也不是針對工業(yè)控制來設(shè)計的，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)總線連接起來實現(xiàn)以太網(wǎng)與工業(yè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)到對生產(chǎn)現(xiàn)場進(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。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)?，F(xiàn)在，國際上相關(guān)組織也開始著手做這項工作，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，取代現(xiàn)在的現(xiàn)場總線技術(shù)，這是一個必然的趨勢，在這方面需要做的工作還有很多?，F(xiàn)階段的現(xiàn)場儀表設(shè)備之間的通信還是離不開現(xiàn)場總線，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，實現(xiàn)上層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的一體化 [7]。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實現(xiàn) 9 第 3章 系統(tǒng) 硬件 設(shè)計 本文所設(shè)計的嵌入式協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng) 關(guān)， 實現(xiàn) 了 CAN 總線與以太網(wǎng)的互聯(lián)，即 以太網(wǎng)能夠通過網(wǎng)關(guān)讀取 CAN 總線上的數(shù)據(jù)，同時也可以向 CAN 總線發(fā)送命令以實現(xiàn)上位機對現(xiàn)場設(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)場總線的信息可以通過 CAN 協(xié)議傳送出去，經(jīng)過協(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)方計算機可以通過一定的權(quán)限，在一定的平臺上進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。同時，該計算機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，這樣就實現(xiàn)了對現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控。 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，因為軟件開發(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。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。本文以 AT91SAM9G45作為核心處理器， CAN 總線控制器選用 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。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實現(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 存儲器、 Flash存儲器 [8]。 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。 網(wǎng)關(guān)的硬件實物 如圖 所示 ，采用的是 SBC6845 開發(fā)板。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實現(xiàn) 11 圖 網(wǎng)關(guān)硬件實物圖 硬件電路設(shè)計 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 100Mbps 的高速外設(shè)時， 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)，以提供滿意的用戶體驗。 AT91SAM9G45 支持最新 的用來存儲程序和數(shù)據(jù)的 DDR2 和 NAND Flash 儲存器接口。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）。 I/O 接口支持 和 工作電壓，這些可以為存儲接口和外設(shè) I/O 接口單獨配置基于這個特點，它能夠完全滿足不同外設(shè)的電平需要。而且它是以 球間距進(jìn)行封裝，能夠給 PCB 廠商降低相應(yīng)的 成本。 AT91SAM9G45 電源管理控制器使用門控時鐘（ clock gating）和電池備份組件使得在活動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)計與實現(xiàn) 12 CAN 總線電路 Microchip 的 MCP2515 是一款獨立控制器局域網(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)和擴展數(shù)據(jù)幀以及遠(yuǎn)程幀。 MCP2515 自帶的兩個驗收屏蔽寄存器和六個驗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（ MCU）的開銷。MCP2515 與 MCU 的 連 接 是 通 過 業(yè) 界 標(biāo) 準(zhǔn) 串 行 外 設(shè) 接 口 （ Serial Peripheral Interface， SPI）來實現(xiàn)的。 MCP2515 是一款獨立 CAN 控制器，可簡化需要與 CAN 總線連接的應(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、驗收濾波寄存器、驗收屏蔽寄存器、發(fā)送和接收緩沖器。 CAN 模塊的功能是處理所有 CAN 總線上的報文接收和發(fā)送。報文發(fā)送時，首先將報文裝載到正確的報文緩沖器和控制寄存器中。通過 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發(fā)送操作。通過讀取相應(yīng)的寄存器可以檢查通訊狀態(tài)和錯誤。會對 CAN 總線上檢測到的任何報文進(jìn)行錯誤檢查，然后與用戶定義的濾波器進(jìn)行匹配，以確定是否將報文移到兩個接收緩沖器中的一個。 2） 用于配置該器件及其運行的控制邏輯和寄存器。 通過與其他模塊連接，控制邏輯模塊控制 MCP2515 的設(shè)置和運行，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)計與實現(xiàn) 13 個多用途中斷引腳及各接收緩沖器的專用中斷引腳，用于指示有效報文是否被接收并載入接收緩沖器?？蛇x擇使用專用中斷引腳。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。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。是否使用這些引腳由用戶決定；若不使用，也可利用控制寄存器（通過 SPI 接口訪問）來啟動報文發(fā)送。 3） SPI 協(xié)議模塊。 MCU 通過 SPI 接口與該器件連接。使用標(biāo)準(zhǔn)的 SPI 讀 /寫指令以及專門的 SPI 命令來讀 /寫所有的寄存器 [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)無關(guān)的接口，來連接所有提供