CAN 总线和以太网间的网关设计与实现

郑美芳，余 波，魏海生，潘加琴

（成都工业学院 网络与通信工程学院，成都 611730）

0 引言

采矿企业需大量工矿设备，如矿用变频器、风机、传送带、球磨机等设备。这些设备多采用独立控制模式，数据传输量少，对设定参数需要实时响应，所以这些设备多采用现场总线。现场总线具有实时性好、稳定及抗干扰能力强的特点，形成真正分散在现场的完整控制系统，提高了控制系统运行的可靠性。采矿企业通常选用短帧方式的控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线作为现场总线。

随着物联和智能控制的需要，设备联动控制技术被采矿企业采用。但是，各设备布局位置相距较远，短帧方式的CAN 总线无法满足各设备远程联动控制的需要，而以太网能满足此需求。因此，需要对协议进行转换的物联网关、现场控制设备之间与管理层网络之间建立联系，实现管控网络与数据网络的结合，实现信号远程传送与异地远程控制。本文设计的网关可对数据进行处理及可视化分析，通过文件系统对数据信息进行记录，通过便携式储存器下载所记录的数据，通过外接电容触摸屏查看存储的数据信息，通过以太网下载储存在本地的数据等。

1 CAN 总线和以太网间网关的总体设计

根据应用需求，本设计可实现CAN 局域网络与以太网之间的数据交互，并在此基础上添加更多人性化的设计，以满足不同的需求，对系统功能分析后，确定系统的整体结构如图1所示。用户可在此基础上，进行二次开发，对数据进行处理及可视化分析，文件系统对接收数据信息进行记录，可通过便携式存储器下载所记录的数据。

2 网关系统硬件设计

2.1 CAN 接口电路设计

CAN 总线由BOSCH 公司开发，CAN 总线任意两个节点间最大传输距离和通信速率成反比，例如，理论上波特率为100 k时，最大总线长度620 m；波特率为250 k 时，最大总线长度为270 m。但是实际应用中，CAN 总线的传输距离还将受到电磁干扰、传输介质特性等因素的影响。

CAN 总线根据不同的波特率范围采用两种不同网络结构，本系统中波特率在125 k 以上，所以采用国际标准化的串行通信协议ISO 11898。

CAN 协议控制器和物理总线之间需要接口转换CAN，为总线提供差分传输能力，为CAN 控制器提供差分接收能力。

本系统中采用STM32F767 作为主控芯片，STM32F767 芯片带有2 个CAN 通信协议控制器，完全可配置CAN2.0 A 模式和2.0 B 模式，支持时间触发通信，具备3 个发送邮箱，3 级深度的2 个接收先入先出队列（First Input First Output，FIFO）。可实现对节点1 到节点N的数据通信，实现对带CAN 总线节点终端设备的监控。

CAN 转换芯片类型众多，常见有NXP 公司的TJA 系列芯片，如TJA1050、ADM3053BRWZ 等，经过性能测试后，选定ADM3053BRWZ 作为转换接口芯片。

2.2 以太网控制器硬件电路设计

STM32F767 芯片自带以太网模块，用户可配置多址接入信道（Multiple Access Channel,MAC）控制器及直接存储器访问（Direct Memory Access，DMA）控制器的工作模式和功能。

STM32F767 必须外接以太网物理层芯片才能进行通信，支持使用SMI（MDIO&MDC）接口的Physica 芯片，采用介质无关接口（Media Independent Interface，MII）/简化媒体独立接口（Reduced Media Independent Interface，RMII）与其进行物理连接。在本设计中，外接物理层芯片通过RMII 接口与主芯片通信，物理层芯片采用了LAN8720A。

3 CAN 总线和以太网间网关的系统设计

本设计要保证足够快的响应速度以处理CAN 报文中的数据，数据处理任务较为繁重，若以中断服务作为后台服务程序，实现简单的前后台操作系统，虽然简化了程序设计，对系统资源消耗得更少，但每次程序的运行时间不确定、系统响应速度慢和程序运行状态得不到保证等问题也暴露无遗，故需要一个稳定的操作系统对线程进行管理，实现多线程的切换，达到设备的快速响应等要求。

CMSIS 全称“Cortex Microcontroller Software Interface Standard”，定义了基于Cortex-M 构架的微控制器标准的实时操作系统（Real Time Operating System，RTOS）应用程序接口。本设计先对CMSIS-RTOS 操作系统进行配置，并完成周围硬件接口的驱动编写，其中包括实时时钟（Real_Time Clock，RTC）系统时钟驱动、CAN 局域网控制器驱动、以太网控制器驱动、块设备控制器驱动、液晶屏幕驱动，并编写相应的测试程序以测试驱动程序的稳定性，使系统底层性能更加强健。

根据需求系统功能组件确定为网络功能组件、文件系统组件和emWin 图形界面组件，网络功能组件采用RTNet 网络协议栈，其与LwIP 协议栈都是在嵌入式设备上使用的微型协议栈，能满足项目的开发需求；文件系统是在FAT32 文件系统上演变而来的，增加了对随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）文件、NOR Flash 的支持；emWin 图形界面组件为本设计中7 寸触摸屏提供了图形化窗体控件以及丰富的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）控件。

在内存中将数据记录下来后，在数据中添加时间戳、校验等固定字节后便可通过设计的网络接口，向外部发送以太网数据。本设计希望不仅设计出数据流转发的功能，还设计出一个能对系统进行管理的程序或网页服务器，以达到采用网页的方式控制设备运行的目的。这样控制设备可以是个人计算机、手机、局域网终端设备等，实现多平台访问，管理人员操作更加方便、简单。设置CAN 接收数据帧类型，开启一个消息队列可以方便CAN 报文数据在系统中安全高效传输，在进行线程设计时应满足事件原子化的原则，即一个线程的任务单一，从而压缩任务的处理时间，加快系统响应速度。故在本线程中，仅等待激活线程的信号，其余时间处于阻塞状态，将系统资源分配给其他线程。基于CMSIS 操作系统进行应用程序设计，应尽量避免在CAN 接收中断时对数据进行处理，而要在中断时对线程发出事件信号，并退出中断处理函数，将系统的控制权交还给操作系统，而事件信号经过操作系统的传递用于激活处于阻塞状态的CAN 总线控制线程，并在线程中实现对数据的接收与处理，接下来便是通过以太网转发该报文。

4 系统结果测试

4.1 CAN 总线数据到以太网数据测试

系统开机后会进行自检及挂载文件系统，并在串口调试终端中打印出初始化信息，表示设备启动完成，之后便可输入命令进行调试。

CAN 总线数据到以太网数据功能测试分为两种，一种为用户数据包协议（User Datagram Protocol，UDP）数据发送测试，在个人计算机端使用网络调试助手作为显示终端，在软件中设置协议类型为UDP，接收的端口号为1 000，在网络数据接收区中可以清晰地看到由网关（192.168.5.100）所发送的数据，其数据与本地文件中保存的内容一致，说明UDP 发送网络数据的功能是正常工作的。

4.2 数据日志存储测试

系统上电后，一旦接收到CAN 报文便会在本地磁盘中创建一个以当前日期为文件名的文件，用于记录当前的设备数据，使用Ls命令将会输出本地磁盘中所保存的所有文件，使用Type命令，便可将其中内容打印在调试终端上，通过以上3 个测试，显示的数据均是相同的，故设备在存储及转发上不存在错误或误码。

5 结语

本设计在参考了市面上部分产品的基础上，确定了工业物联网关的设计思路，以使系统设计更加紧凑，并在同一个网关上实现了嵌入式网页服务器、CAN 报文转以太网报文、文件转储功能及触摸屏界面设计，使系统功能更加强大。本设计相对于市面上的产品成本较低，功能更加丰富，设计更加紧凑，二次开发周期短，能实现对不同应用场景的适配。