CAN总线网络与工业以太网互联的研究

2017-07-12 11:33:25

CAN 总线 以太网 互联 gateway

CAN总线网络与工业以太网互联的研究
              摘      要

 随着现场总线技术在现场级工业控制领域的普及、现代化工业生产对工业控制水平的提高和Internet设备嵌入化的发展趋势的不断增强,在工业生产中,决策控制需要获取更多来自现场的信息以实现从现场控制到监控、管理、决策、商务等各个层次的信息交换与集成,提高生产效率;管理控制需要通过以太网实现对工业生产过程的远程监控、远程调试和设备故障诊断。因此,现在的自动化系统在设计时都希望有一种有多种接口并且能实现异种网络互联的通信控制器.通过这种控制器,可以实现低速的现场总线和高速的以太网以及其他通信网络之间的互联,从而构建一个能满足各方面应用需求的、可靠的、真正全开放和全分散的数据通讯网络。
 本文从以太网和CAN总线互联的通信协议构建、硬件组成和软件实现三个方面出发,以实现以太网和CAN总线的基本互联通信为目标,研究一种实现互联的方法并对相关问题进行了探讨。首先,对以太网和CAN总线的基本特点进行了介绍,论述了互联的必要性与可行性。其次,从以太网和CAN总线通信协议两方面的基本原理出发,着重对以太网通信的TCP/IP协议进行深入研究,找出一条实现CAN总线和以太网互联的途径。再次,介绍了主控制器(51系列单片机)、以太网控制器(RTL8019AS)和CAN总线控制器(SJA1000)三个部分的主要构成芯片,说明了它们之间的硬件连接方法和实际测试中的问题及改进方法。最后,简要介绍了互联网关的底层嵌入式程序,上层监控程序和一些具体操作流程,并对实际运行中遇到的一些问题做了进一步改进的探讨。
 文章重点研究了实现嵌入式互联网关的技术,以实现网络互通为基本目的,对实际运行中相关的软硬件问题进行了探讨。
关键词: 以太网   CAN总线  嵌入式网关  网络互联

外文摘要
Research of the interconnection gateway between
             CAN and Ethernet
                 Abstract
In many manufactories, the upper level network which base on high speed net to link operate console computers and the lower network which is normally called Field Bus constitute the control system. If them can interconnect, the workers could monitor or test the state of equipment by the integrated-net. Furthermore, the managers could get more information form local plant to guide their manage and decision-making. So, to compose such a integrated-network, the key is a connection gateway that can transform the two kinds of data-package to each other.
In this thesis, I will introduce a way of making a built-in gateway to connect CAN and Ethernet.
First, this thesis discusses the necessity of connecting them and the history of these networks. Second, it introduces some basal communication protocols that are needed on building gateway both Ethernet and CAN. Third, it introduces the hardware structure of the built-in gateway, especially the three mainly chips (SST 89c55, Philip SJA1000, RTL 8019AS). Fourth, it introduces the software running in the gateway. Last, it discusses some questions in using the gateway.

 

关键词: CAN   Ethernet   built-in gateway  interconnection
目    录
第一章   绪 论…………………………………………………    1
1.1 相关网络概述………………………………………………    2
1.1.1 以太网发展概述…………………………………………    2
1.1.2 现场总线概述……………………………………………    3
1.2 工业以太网和CAN总线的特点……………………………    4
1.2.1 工业以太网的特点………………………………………    4
1.2.2 CAN总线的技术特点……………………………………    5
1.2.3 两种网络的互联…………………………………………    7
1.3 课题实现基础及论文内容……………………………………  8
第二章 工业以太网与CAN总线互联的原理和基本思想……    9
2.1 开放系统互联模型(OSI)…………………………………   9
2.1.1 OSI模型结构……………………………………………     9
2.1.2 OSI七层结构……………………………………………    10
2.2 本文涉及的TCP/IP体系…………………………………    11
2.2.1 TCP/IP的体系结构以及相关协议……………………    11
2.2.2 IP沙漏模型……………………………………………     13
2.2.3 UDP协议与数据报格式…………………………………    14
2.3 CAN的技术规范和数据包结构……………………………    17
2.3.1  CAN总线的拓扑及网络模型……………………………  17
2.3.2  CAN总线的数据格式……………………………………  19
2.4 实现以太网和CAN总线互联的基本思想…………………   19
第三章 互联网关的硬件实现……………………………………  23
3.1 网关的硬件体系结构………………………………………   23
3.2嵌入式网关的主要硬件芯片介绍…………………………   24
3.2.1 CAN总线控制器SJA1000…………………………………  24
3.2.2 以太网控制器RTL8019AS………………………………   26
3.2.3 主控制芯片SST89C58简介………………………………  26
3.3 实际硬件电路………………………………………………   29
3.3.1 主控制器SST89C58及其外围电路………………………  30
3.3.2 以太网控制部分…………………………………………   32
3.3.3 CAN总线控制部分………………………………………    34
第四章  互联网关的软件实现…………………………………  36
4.1 底层嵌入式单片机软件……………………………………   36
4.1.1 程序主要流程……………………………………………   36
4.1.2 程序部分操作过程简介…………………………………   37
4.2 上层监控软件………………………………………………   40
4.2.1 数据监控…………………………………………………   40
4.2.2 串口通讯…………………………………………………   41
第五章 互联网关实际使用中相关问题的进一步研究……   43
5.1 互联网关的抗干扰问题……………………………………   43
5.2 对互联网关的运行机制的进一步研究……………………  44
5.2.1 对网络系统结构的改进…………………………………   45
5.2.2 对网络寻址方式的改进…………………………………   47
5.2.3 网关的热备用改进………………………………………   48
5.3 实际使用的参数设定……………………………………………   49
致 谢…………………………………………………………………    53
参考文献………………………………………………………………   54