CAN总线与以太网互连的嵌入式网关设计

由于以太网技术的发展和完善，尤其是传输速率的提高和交互技术的发展，以太网以其在传输速度、可靠性、使用灵活、软硬件资源丰富等方面的优势在现场控制领域得到广泛的应用。CAN总线技术是目前自动化控制领域中最具有前景的技术之一，它在分散控制效果、开放性、纠错能力、价格等方面具有很强的优势，将CAN总线与以太网互连可实现现场控制从设备到管理层的一体化，能够提高生产效率、降低生产成本。

1 硬件结构

本设计采用了MCU+接口芯片的方法，其硬件框图见图1，系统工作原理为：以太网中发送数据和请求到以太网接口芯片RTL8019AS，RTL8019AS将处理后的以太网帧送入控制器P89V51RC2内部的TCP/IP协议栈，由单片机内部的协议栈对数据报进行解析后得到原始的请求和控制信息，然后送到CAN控制器进行CAN协议格式和数据封装，经过封转后的数据便可以喝现场的CAN总线设备进行通信。回复信息的过程与上面相反。

图1 系统硬件框图

1.1 主控芯片及以太网接口模块

本系统选择性能价格比较高的NXP公司的P89V51RC2单片机，操作频率为0～40MHz，包含32kB Flash，1024字节的内部存储器和64kB的外部数据存储器，同时具有低功耗、在系统编程，多时钟模式等特点，值得一提的是它的X2方式选项。利用该特性可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量，或者时钟频率减半而保持特性不变，这样可以极大地降低电磁干扰(EMI)。P89V51RC2丰富的片上资源非常适合于通信网关、协议转换器的应用。

以太网接口选用的是Realtek公司生产的全双工即插即用型RTL8019AS芯片，RTL8019AS接口符合Ethernet2和IEEE802.3标准，兼容RTL8019软件和NE2000的传输，芯片是RTL8019内核，内部集成了一个16KB双端口RAM。支持UTP、AUI、BNC、和PNP自动检测模式，主控芯片和以太网接口芯片的硬件接口原理图见图2，系统扩展了一个32K的外部RAM。

图2 以太网接口电路原理图

1.2 CAN 接口模块

CAN模块的由CAN控制器SJA1000和收发器CTM1050组成，CAN总线控制器是CAN总线网络的层次结构中数据链路层和物理层的执行者，主要完成CAN的通讯协议，实现报文的装配和拆分、接收信息的过滤和校验等工作。SJA1000是Philips 公司生产的一款高速CAN控制器，其速率最高可达1Mbips，内部扩展有64BitFlF0结构的接收缓冲器，工作温度范围为-40℃～-125 ℃，非常适合工业现场使用。SJA1000有两种工作模式：BasicCAN模式和PeLi CAN模式，其Peli CAN工作模式支持CAN2. 0B协议。CTM1050是一款带隔离的高速CAN收发器模块，具有CAN-bus总线过电压保护作用，该模块内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收、发器件，模块的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，并且具有DC 2500V的隔离功能。采用CTM1050模块可以大大减少CAN-Bus硬件线路的难度，SJA1000的TXO与RXO直接与CTM1050的TXD、RXD相连。