控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線是ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在當(dāng)前的汽車(chē)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(kāi)發(fā)了出來(lái)。由于這些系統(tǒng)之間通信所用 的數(shù)據(jù)類(lèi)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(guò)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(guó)電氣商博世公司開(kāi)發(fā)出面向汽車(chē)的 CAN 通信議。此后，CAN 通過(guò) ISO11898 及 ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議?，F(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?，F(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)支持以太網(wǎng)接口開(kāi)始是為了連接實(shí)驗(yàn)室的多個(gè)計(jì)算機(jī)設(shè)備，開(kāi)發(fā)的快速連接方式。隨著傳輸速率的提高和交換技術(shù)的使用，以太網(wǎng)的確定性和實(shí)時(shí)性得到了保證，工業(yè)以太網(wǎng)的安全性和網(wǎng)絡(luò)生存性也得到了很大程度的提高。使其在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前計(jì)算機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用與各個(gè)操控領(lǐng)域，而計(jì)算機(jī)常用的連接端口就是以太網(wǎng)，只要接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，并安裝好必要的軟件，計(jì)算機(jī)就可以介入到各個(gè)控制系統(tǒng)中去。因此，為了提高效率，有必要采用技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)通過(guò)以太網(wǎng)接口使計(jì)算機(jī)融入CAN網(wǎng)絡(luò)，把以太網(wǎng)的遠(yuǎn)距離傳輸性與CAN的專(zhuān)業(yè)性結(jié)合起來(lái)，優(yōu)勢(shì)組合。

以太網(wǎng)最早由Xerox（施樂(lè)）公司創(chuàng)建，在1980年，DEC、lntel和Xerox三家公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)是應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)（10Mbit/s）、快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網(wǎng)，采用的是CSMA/CD訪問(wèn)控制法，它們都符合IEEE802.3。該標(biāo)準(zhǔn)定義了在局域網(wǎng)（LAN）中采用的電纜類(lèi)型和信號(hào)處理方法。以太網(wǎng)在互聯(lián)設(shè)備之間以10~100Mbps的速率傳送信息包，雙絞線電纜10 Base T以太網(wǎng)由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成為應(yīng)用最為廣泛的以太網(wǎng)技術(shù)。直擴(kuò)的無(wú)線以太網(wǎng)可達(dá)11Mbps，許多制造供應(yīng)商提供的產(chǎn)品都能采用通用的軟件協(xié)議進(jìn)行通信，開(kāi)放性最好。

1 芯片選擇

1.1 CP2200芯片介紹

CP2200芯片是工業(yè)界體積最小、性能最高、8位總線控制的以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)芯片，支持IEEE802·3以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)MAC控制協(xié)議，支持10BASE／T物理層，完全兼容100／1 000 BASE T網(wǎng)絡(luò)，可以工作在全雙工或半雙工模式，能進(jìn)行自動(dòng)極性檢測(cè)和糾正，具有碰撞自動(dòng)重發(fā)功能，能自動(dòng)填充和生成CRC，支持廣播和多播。CP2200內(nèi)部帶有2 k字節(jié)的發(fā)送緩存和4 k字節(jié)的接收緩存，還有8 k字節(jié)的內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)用戶(hù)常數(shù)、Web服務(wù)器內(nèi)容，它的最后6個(gè)存儲(chǔ)單元是工廠預(yù)編程的唯一48位MAC地址。此芯片采用48管腳的TQFP封裝，工作的溫度范圍在-40～+85℃，可為具有11個(gè)以上I／O引腳的微處理器擴(kuò)展以太網(wǎng)通信功能。此芯片具有30 Mb／s速率的并行主機(jī)接口，支持Intel和Motorola兩種總線方式。

CP2200符合IEEE 802.3協(xié)議：內(nèi)置lOMbps以太網(wǎng)物理層器件PHY及媒介接入控制器MAC，可按業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議可靠地收發(fā)信息包數(shù)據(jù)；具有可編程填充和CRC自動(dòng)生成功能。可編程過(guò)濾功能：特殊的過(guò)濾器，可自動(dòng)評(píng)價(jià)、接收或拒收Magic Packet、單播（Unicast）、多播（Multicast）或廣播（Broadcast）信息包，以減輕主控單片機(jī)的處理負(fù)荷。30 Mbp5速率的并行主機(jī)接口：支持Intel和M0torola兩種總線方式。8 KB Flash存儲(chǔ)器：8192字節(jié)非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，可對(duì)其進(jìn)行靈活編程；工廠預(yù)編程的唯一48位MAC地址。

CP2200的多種集成功能（如CRC校驗(yàn)、數(shù)據(jù)濾波等）有效減輕了單片機(jī)的載荷，它內(nèi)部的收發(fā)接口單元操作起來(lái)靈活方便，為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包提供了有效緩沖。使用該芯片時(shí)，電路只需增加1個(gè)RJ-45快速以太網(wǎng)接口即可，其工作特性可以滿(mǎn)足CAN總線的傳輸波特率要求。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 C8051F040芯片介紹

C8051F040是集成在一塊芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)，在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制的智能節(jié)點(diǎn)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)以及其他功能部件，代表了目前8位單片機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。芯片上有1個(gè)12位多通道ADC，2個(gè)12位DAC，2個(gè)電壓比較器，1個(gè)電壓基準(zhǔn)，1個(gè)32kB的FLASH存儲(chǔ)器，與MCS－51指令集完全兼容的高速CIP－51內(nèi)核，峰值速度可達(dá)25MIPS，并且還有硬件實(shí)現(xiàn)的UART串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器。C8051F040是高度集成的混合信號(hào)SoC級(jí)微控制器芯片，具有與8051單片機(jī)兼容的高速CIP-51微控制器內(nèi)核，除了標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中常用的模擬部件及其它一些數(shù)字外設(shè)部件。

C8051F系列單片機(jī)是Silicon Labs公司推出的系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與80C51兼容的CIP-51內(nèi)核。C8051F040內(nèi)部集成的CAN控制器包括1個(gè)CAN內(nèi)核、消息RAM（獨(dú)立于CIP-51內(nèi)核）、消息處理單元、控制寄存器等。C8051F040內(nèi)部包含1個(gè)CAN協(xié)議控制器，并沒(méi)有提供物理層的驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)與CAN總線的接口。數(shù)據(jù)接收和濾波都由CAN控制器完成，不需要CIP-51內(nèi)核的參與。這種方式可使CAN通信時(shí)占用的系統(tǒng)資源最小。CIP-51內(nèi)核通過(guò)配置其內(nèi)部的特殊功能寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN的數(shù)據(jù)交互。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路如圖3所示，由CP2200、C8051F040、CAN驅(qū)動(dòng)芯片的SN65HVD230等組成。其中CP2200與HR911105A組成以太網(wǎng)電路部分，SN65H-VD230單個(gè)組成CAN收發(fā)電路。工作原理如下，當(dāng)CP2200收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，觸發(fā)C8051F040的INTO，C8051F040把數(shù)據(jù)從CP2200的接收緩沖區(qū)拷貝到其內(nèi)存空間，然后通過(guò)SN65HVD230轉(zhuǎn)發(fā)到CAN網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)CAN數(shù)據(jù)有要發(fā)送到以太網(wǎng)，C8051F040收到數(shù)據(jù)后，就向CP2200的發(fā)送緩沖區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，最后由CP2200通過(guò)HR911105A發(fā)到以太網(wǎng)。

2.1 以太網(wǎng)部分電路

CP2200通過(guò)HR9011105A連接到以太網(wǎng)上。CP2200的收發(fā)信號(hào)分別連接到HR9011105A的收發(fā)針腳，同時(shí)前者的LED控制信號(hào)LINK、ACK也都接到后者相應(yīng)針腳。其中，LINK是連接成功指示燈，ACK是數(shù)據(jù)傳輸指示燈。CP2200與C8051F040的連接，首先數(shù)據(jù)和地址總線、讀寫(xiě)信號(hào)相連接，其次CP2200的中斷引腳INT與C8051-F040的INT0引腳連接在一起，其片選CS陣腳接C8051F040的A15腳。CP2200的發(fā)送緩沖區(qū)地址為0x0000～0x07FF，接收緩沖區(qū)地址前部分與發(fā)送緩沖器重合，具體地址為0x0000～0x0FFF。當(dāng)A15為低電平（CS也為低）時(shí)，C8051F040就選中CP2200，即CP2200的內(nèi)部地址空間0x0000～0x0 FFF的外部映射地址為0x8000～0x8FFF。

CP2200發(fā)送數(shù)據(jù)包：通過(guò)使用自動(dòng)寫(xiě)（AutoWrite）寄存器將數(shù)據(jù)裝載到發(fā)送緩沖區(qū)，并向內(nèi)部存儲(chǔ)器TXGO寫(xiě)1來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)包。一旦發(fā)送完成，會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包已發(fā)送中斷，通知C8051F040。CP2200接收數(shù)據(jù)包：當(dāng)MAC接收被使能且接收緩沖區(qū)未滿(mǎn)時(shí)，包接收會(huì)自動(dòng)進(jìn)行。一旦收到數(shù)據(jù)包，就會(huì)產(chǎn)生包接收中斷通知主機(jī)。主機(jī)可以用自動(dòng)讀（AutoRead）接口讀取數(shù)據(jù)包。

2.2 CAN部分電路

C8051F040已經(jīng)集成CAN控制器，電路只需1個(gè)CAN總線收發(fā)器。這里使用TI公司的SN65HVD230收發(fā)器。由于SN65HV230收發(fā)器具有強(qiáng)電磁干擾下寬共模電壓范圍的差動(dòng)接收能力、交叉線保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、失地保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)等卓越特性，所以設(shè)計(jì)中省去了高速光耦6N137以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，如果需要增強(qiáng)抗干擾能力，也可在C8051F040和SN65HV230之間增加2個(gè)高速光耦6N137，以滿(mǎn)足CAN的高速率通信。在CANH與CANL引腳各串聯(lián)1個(gè)5 Ω電阻與總線相連以起到限流作用。

3 軟件設(shè)計(jì)及協(xié)議轉(zhuǎn)換

在充分遵循以太網(wǎng)和CAN協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)軟件程序，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與CAN數(shù)據(jù)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)發(fā)。在本設(shè)計(jì)中，CAN與以太網(wǎng)都采用接收中斷，把數(shù)據(jù)包先存入緩沖區(qū)，然后進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)接收時(shí)，不允許接收新的數(shù)據(jù)和中斷，直到數(shù)據(jù)完全接收后，才將接收緩沖區(qū)釋放。在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，先確認(rèn)發(fā)送緩沖區(qū)空閑才寫(xiě)入數(shù)據(jù)。由于兩者都有內(nèi)部的發(fā)送和接收緩沖區(qū)，主程序的主要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)以及通訊的握手協(xié)議。

相對(duì)于CAN總線的傳輸速率，本電路的以太網(wǎng)傳輸速率要高10倍，緩沖區(qū)大小也差很多。因此在下行通訊中，需要完成CAN數(shù)據(jù)的拆包和重新打包任務(wù)，屬較慢的操作，采用定時(shí)查詢(xún)方式發(fā)送。在上行通訊中，直接轉(zhuǎn)發(fā)CAN接收到CP2200發(fā)送緩沖區(qū)。

3.1 CAN總線程序

1）CAN總線發(fā)送任務(wù) 當(dāng)以太網(wǎng)有新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給CAN時(shí)，主程序通知此任務(wù)運(yùn)行。讀出CP2200接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)到內(nèi)存緩沖區(qū)，然后分成不大于8字節(jié)的數(shù)據(jù)包，增加CAN協(xié)議包頭，送入C8051F040的發(fā)送緩沖區(qū)。

2）CAN總線接收任務(wù) 當(dāng)CAN有數(shù)據(jù)接收，則將數(shù)據(jù)直接送人CP2200的發(fā)送緩沖區(qū)，并通知其工作。此任務(wù)很少占用時(shí)間。在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，由于CAN每次數(shù)據(jù)只有8字節(jié)，而CP2200的發(fā)送緩沖區(qū)有2 K，CP2200的發(fā)送不影響CAN的接收。所以CAN接收中斷只需在本程序?qū)AN數(shù)據(jù)送入CP2200的發(fā)送緩沖區(qū)后就可打開(kāi)。

3.2 以太網(wǎng)程序模塊

以太網(wǎng)接口模塊主要實(shí)現(xiàn)CP2200的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，主要包括初始化函數(shù)、幀發(fā)送函數(shù)和幀接收函數(shù)。

1）CP2200的初始化模塊 CP2200的初始化是進(jìn)行CP2200寄存器的配置。CP2200占用C8051F040的外部RAM的地址，外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）被設(shè)置在高端口（端口47），EMIFLE（XBR2·1）位被設(shè)置為0。然后依次進(jìn)行下面的設(shè)置：配置端口引腳的輸出方式為推挽方式；配置對(duì)應(yīng)EMIF引腳的端口鎖存器為休眠態(tài)，設(shè)置為邏輯‘1’；選擇地址線和數(shù)據(jù)線的非復(fù)用方式；選擇存儲(chǔ)器模式為不帶塊選擇的分片方式：設(shè)置與片外存儲(chǔ)器或外設(shè)接口的時(shí)序。

2）以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送接收模塊 C8051F040的外部中斷0和定時(shí)器0用于TCP／IP協(xié)議棧。由于C8051F040的處理速度、內(nèi)部集成的資源有限，而TCP／IP協(xié)議種類(lèi)繁多，不可能集成所有的TEP／IP協(xié)議，所以，使用裁剪后的TCP／IP協(xié)議。結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際需要，本設(shè)計(jì)中裁剪后的協(xié)議棧包括IP協(xié)議、ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議、TCP協(xié)議。由于TCP協(xié)議是基于連接的協(xié)議，在正式收發(fā)數(shù)據(jù)前，必須和對(duì)方經(jīng)過(guò)3次對(duì)話，建立可靠的連接，而且當(dāng)數(shù)據(jù)從A端傳到B端后，B端會(huì)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)包給A端，所以，TCP協(xié)議適用于對(duì)可靠性要求較高的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。而UDP協(xié)議是面向非連接的協(xié)議，不與對(duì)方建立連接，直接就把數(shù)據(jù)包發(fā)送過(guò)去，當(dāng)數(shù)據(jù)從A端傳到B端后，B端不會(huì)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)包給A端，此協(xié)議適用于對(duì)可靠性要求不高的通信系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)應(yīng)用于在線數(shù)字識(shí)別系統(tǒng)，可靠性要求高，所以，該系統(tǒng)采用了TCP協(xié)議。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文描述了一種CAN數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)原理與電路構(gòu)成。創(chuàng)新點(diǎn)在于：電路設(shè)計(jì)使用高度集成化的網(wǎng)絡(luò)接口芯片CP2200和集成CAN控制器的C8051F040，在不降低效率的同時(shí)，有效地節(jié)省空間與資源。在遵循CAN與以太網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過(guò)通訊的握手協(xié)議和簡(jiǎn)化的以太網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與CAN數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，順利地解決了以太網(wǎng)的高速性與CAN的低速率，以及兩者數(shù)據(jù)包之間的大小矛盾，能夠保證數(shù)據(jù)的完整和協(xié)議的可靠。本轉(zhuǎn)換器可廣泛應(yīng)用于廠礦、油田等監(jiān)控設(shè)施的改進(jìn)。