一种CAN总线—PROFIBUS-DP总线网关的实现方法
日期：2006-4-16 15:50:08 来源：本文摘自《PLC&FA》
点击： 作者：未知
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在80年代中期，为了满足不同自动化领域的应用需求，出现了拥有不同技术特点的现场总线。每一种现场总线都有自己的应用领域，并且都力图拓展其应用领域，以扩张其技术垄断范围。但每种现场总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关。这些公司竞争的结果是多种总线协调共存。据不完全统计,目前国际上有200多种现场总线,而其中占据市场主流的现场总线有十几种[1]。
现场总线的多样性，为总线设备用户提供了更多产品选择的同时，也为总线用户带了总线设备间兼容性问题。工厂在扩建，改建等过程中很可能会选用与原先现场设备总线标准不同的产品，这些设备由于使用不同的现场总线，彼此间不能实现数据共享，于是就降低了设备间功能互补的优点。因此针对多种总线共存的客观事实，探讨如何解决不同现场总线系统的互联有着重要的现实意义。本文主要研究PROFIBUS-DP[2]与CAN[3]两种总线的协议转换的原理，并设计出了一种网关实现了这两种总线的互联。
对于两个异构的现场总线，其数据链路层和应用层协议是截然不同的，要实现它们的互联，需要采用网关进行协议转换。协议转换在网关内是按分层逐次进行的。网关将现场总线设备1发送来的数据在不同的协议层次进行解包，最终得到报文中的用户数据。然后再按照现场总线协议2逐层打包，然后发送到现场总线2中的设备。
网关(gateway)是用于实现数据链路层以上层的网络互联设备，它相当于一个协议转换器，可以是双向的，也可以是单向的，用来连接不同协议的网络。它不像网桥一样要求数据链路层和应用层的协议完全一致。
通常见到的现场总线网关是单CPU结构的，在这种结构里，CPU要完成两种总线信息的传输与控制，同时还要完成两种总线协议的转换工作，该方案CPU负担较重，控制复杂，软件采用多重嵌套。这里提出了一种基于双CPU结构的网关设计方法，系统中的两个CPU对两种总线协议的数据各自进行处理与控制，并将需要传递的信息放在双口RAM内，实现信息共享与传递，这种方案容易控制，软件简单，同时减轻了CPU的负担，增强了可靠性。
系统的硬件根据功能可分为三大部分，一是CAN总线接口电路，完成CAN总线的数据收发与控制;二是PROFIBUS-DP总线接口电路，完成PROFIBUS总线数据的收发与控制;三是双口RAM接口电路，用来完成两种总线数据的交换。
3.1 CAN总线接口硬件结构
CAN总线接口的整体硬件结构如图1。电路主要由四部分所构成，微控制器89C52(1)，独立CAN通信控制器SJA1000，CAN总线收发器82C250和高速光电耦合器6N137。
89C52(1)负责SJA1000 的初始化，通过控制SJA1000 实现数据的接收和发送等通信任务，同时还负责与PROFIBUS总线接口侧的的数据交换，选择89C52(1)作为CPU的主要是因为它不仅与CAN控制芯片SJA1000兼容，而且内部集成8k flash RAM，可以满足系统的存储要求，不需要再外扩程序存储器。
SJA1000为CAN总线控制器。它是一种独立CAN 控制器，是PHILIPS公司的CA82C200 CAN控制器的替代产品，它在软件和引脚上都保持了与PCA82C200的兼容。它具有BasicCAN和PeliCAN两种工作方式,其中BasicCAN是与PCA82C200兼容的方式;PeliCAN是扩展特性方式，支持具有很多新特性的CAN 2.0B协议。SJA1000的主要新功能有:标准结构和扩展结构报文的接收和发送;64 字节的接收FIFO;标准和扩展帧格式都具有单/双接收滤波器含接收屏蔽和接收码寄存器;可进行读/写访问的错误计数器;可编程的错误报警限制;最近一次的错误代码寄存器;每一个CAN 总线错误都可以产生错误中断;具有丢失仲裁定位功能的丢失仲裁中断;单发方式当发生错误或丢失仲裁时不重发;只听方式监听CAN 总线无应答无错误标志;支持热插拔无干扰软件驱动位速率检测;硬件禁止CLKOUT输出。
1 引言
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在80年代中期，为了满足不同自动化领域的应用需求，出现了拥有不同技术特点的现场总线。每一种现场总线都有自己的应用领域，并且都力图拓展其应用领域，以扩张其技术垄断范围。但每种现场总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关。这些公司竞争的结果是多种总线协调共存。据不完全统计,目前国际上有200多种现场总线,而其中占据市场主流的现场总线有十几种[1]。
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现场总线的多样性，为总线设备用户提供了更多产品选择的同时，也为总线用户带了总线设备间兼容性问题。工厂在扩建，改建等过程中很可能会选用与原先现场设备总线标准不同的产品，这些设备由于使用不同的现场总线，彼此间不能实现数据共享，于是就降低了设备间功能互补的优点。因此针对多种总线共存的客观事实，探讨如何解决不同现场总线系统的互联有着重要的现实意义。本文主要研究PROFIBUS-DP[2]与CAN[3]两种总线的协议转换的原理，并设计出了一种网关实现了这两种总线的互联。
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2 方案设计
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对于两个异构的现场总线，其数据链路层和应用层协议是截然不同的，要实现它们的互联，需要采用网关进行协议转换。协议转换在网关内是按分层逐次进行的。网关将现场总线设备1发送来的数据在不同的协议层次进行解包，最终得到报文中的用户数据。然后再按照现场总线协议2逐层打包，然后发送到现场总线2中的设备。
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网关(gateway)是用于实现数据链路层以上层的网络互联设备，它相当于一个协议转换器，可以是双向的，也可以是单向的，用来连接不同协议的网络。它不像网桥一样要求数据链路层和应用层的协议完全一致。
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通常见到的现场总线网关是单CPU结构的，在这种结构里，CPU要完成两种总线信息的传输与控制，同时还要完成两种总线协议的转换工作，该方案CPU负担较重，控制复杂，软件采用多重嵌套。这里提出了一种基于双CPU结构的网关设计方法，系统中的两个CPU对两种总线协议的数据各自进行处理与控制，并将需要传递的信息放在双口RAM内，实现信息共享与传递，这种方案容易控制，软件简单，同时减轻了CPU的负担，增强了可靠性。
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3 系统的硬件设计
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系统的硬件根据功能可分为三大部分，一是CAN总线接口电路，完成CAN总线的数据收发与控制;二是PROFIBUS-DP总线接口电路，完成PROFIBUS总线数据的收发与控制;三是双口RAM接口电路，用来完成两种总线数据的交换。
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3.1 CAN总线接口硬件结构
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CAN总线接口的整体硬件结构如图1。电路主要由四部分所构成，微控制器89C52(1)，独立CAN通信控制器SJA1000，CAN总线收发器82C250和高速光电耦合器6N137。
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89C52(1)负责SJA1000 的初始化，通过控制SJA1000 实现数据的接收和发送等通信任务，同时还负责与PROFIBUS总线接口侧的的数据交换，选择89C52(1)作为CPU的主要是因为它不仅与CAN控制芯片SJA1000兼容，而且内部集成8k flash RAM，可以满足系统的存储要求，不需要再外扩程序存储器。
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SJA1000为CAN总线控制器。它是一种独立CAN 控制器，是PHILIPS公司的CA82C200 CAN控制器的替代产品，它在软件和引脚上都保持了与PCA82C200的兼容。它具有BasicCAN和PeliCAN两种工作方式,其中BasicCAN是与PCA82C200兼容的方式;PeliCAN是扩展特性方式，支持具有很多新特性的CAN 2.0B协议。SJA1000的主要新功能有:标准结构和扩展结构报文的接收和发送;64 字节的接收FIFO;标准和扩展帧格式都具有单/双接收滤波器含接收屏蔽和接收码寄存器;可进行读/写访问的错误计数器;可编程的错误报警限制;最近一次的错误代码寄存器;每一个CAN 总线错误都可以产生错误中断;具有丢失仲裁定位功能的丢失仲裁中断;单发方式当发生错误或丢失仲裁时不重发;只听方式监听CAN 总线无应答无错误标志;支持热插拔无干扰软件驱动位速率检测;硬件禁止CLKOUT输出。
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