1引言

現(xiàn)場(chǎng)總線 CAN-bus最早由德國(guó) BOSCH公司提出,，主要用于汽車內(nèi)部單元與控制中心之間的數(shù)據(jù)通信[1],，由于其在網(wǎng)絡(luò)開放性,、通訊可靠性、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性,、系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本,、系統(tǒng)擴(kuò)展能力、糾錯(cuò)能力等方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì),，使得 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線越來越受到人們的關(guān)注,。而且基于開放的現(xiàn)場(chǎng)總線 CAN-bus技術(shù)，構(gòu)建煤礦行業(yè)的通訊網(wǎng)絡(luò),，或開發(fā)特定功能的通訊設(shè)備,，都已經(jīng)不會(huì)存在技術(shù)上的門檻。CAN-bus本身也是符合本質(zhì)安全要求的,，所以當(dāng) CAN-bus應(yīng)用于煤礦通訊系統(tǒng)時(shí),，也立即獲得了廣大設(shè)備用戶的認(rèn)可，成為煤礦行業(yè)中首選的設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò),，通過由 CAN-bus構(gòu)建的煤礦現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò),，管理者和主控設(shè)備能即時(shí)了解、處理當(dāng)前的礦井情況,，發(fā)覺事故隱患,，避免危機(jī)的發(fā)生。同時(shí),，煤礦系統(tǒng)中工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)也日趨成熟,。CAN-bus現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)互連，既能保證工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的可靠實(shí)時(shí)傳輸,，又能滿足數(shù)據(jù)信息的分析,、記錄、管理以及遠(yuǎn)程共享管理,，推進(jìn)煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和開放性,，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化煤礦的綜合自動(dòng)化。而 CAN-bus和以太網(wǎng)采用的是不同的通信標(biāo)準(zhǔn),，要實(shí)現(xiàn)它們之間的互聯(lián)就要通過總線標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換設(shè)備（即網(wǎng)關(guān)）來實(shí)現(xiàn),。

本文設(shè)計(jì)開發(fā) CAN-Ethernet網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的井下 CAN總線設(shè)備與以太網(wǎng)的互連互通，從而將現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備接入到無處不在的 Internet網(wǎng)絡(luò),，實(shí)現(xiàn)數(shù)十公里以外,，乃至整個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)采集和管理滿足煤礦行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化管理要求。

2硬件設(shè)計(jì)

本網(wǎng)關(guān)的硬件部分主要由協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊,、CAN總線接口模塊和以太網(wǎng)接口模塊等部分組成,。本網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)還提供了 RS232接口模塊，用來在調(diào)試過程中與 PC機(jī)進(jìn)行通信,，串口作為控制臺(tái)輸入調(diào)試命令,，顯示調(diào)試結(jié)果。內(nèi)置工業(yè)級(jí)電源系統(tǒng),，支持?jǐn)U展電源輸出,，用于為其他設(shè)備提供電源。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 1所示,。



圖1硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊是嵌入式網(wǎng)關(guān)的核心，由嵌入式微處理器及大容量的存儲(chǔ)系統(tǒng)組成,。微處理器采用 S3C2410A,，S3C2410A是三星公司推出的基于 ARM920T內(nèi)核的 16/32位 RISC嵌入式微處理器。配置了兩片 HY57V561620并聯(lián)構(gòu)成的 32位 64MB SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng),，存放系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的用戶數(shù)據(jù),、堆棧等信息。FLASH選用一片 64M的 K9F1208U0B,，它是一款 NAND flash存儲(chǔ)器,，用來存放用戶應(yīng)用程序、嵌入式操作系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸來的數(shù)據(jù)

2.2 CAN總線接口模塊

CAN總線接口模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與 CAN總線設(shè)備的互聯(lián),。網(wǎng)關(guān)的 CAN總線接口采用的是兩片SJA1000CAN總線控制器和兩片 TJA1050高速 CAN收發(fā)器,。此外，在煤礦井下環(huán)境中,，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力,，電路中要采用光電隔離技術(shù)將嵌入式網(wǎng)關(guān)內(nèi)部電路與現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行電氣隔離，保護(hù)網(wǎng)關(guān)的正常準(zhǔn)確工作,，因此在 CAN控制器與收發(fā)器之間使用光耦 6N137進(jìn)行隔離,，在光耦前后需要采用 2個(gè)相互隔離的 DC5V電源，本系統(tǒng)選用 B0505S-1W DC-DC變換器,，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外界的真正隔離,，抑制干擾的串入。SJA1000與微處理器的接口是以外部存儲(chǔ)器的方式,，數(shù)據(jù)線與地址線共用,，基地址由 SJA1000的片選信號(hào) CS決定,本設(shè)計(jì)中其地址定義在 BANK5中，因此使用此基地址加上 SJA1000內(nèi)部寄存器地址的偏移量就可以訪問 SJA1000內(nèi)部 RAM空間;SJA1000的模式輸入引腳（MODE）接正 5V電源，使其在 intel模式下工作,；將 SJA1000的中斷輸出 INT引腳分別接 S3C2410A的 INT16和 17,，使得數(shù)據(jù)接收采用了中斷方式。

2.3以太網(wǎng)接口模塊

自適應(yīng)以太網(wǎng)接口模塊提供了網(wǎng)關(guān)接入以太網(wǎng)的接口,。以太網(wǎng)控制器采用DM9000,，它具有高度的集成性，具有獨(dú)特的 Packetpage結(jié)構(gòu)可自動(dòng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通信量模式的改變和現(xiàn)有系統(tǒng)資源,，使網(wǎng)關(guān)以 10Mb/s或 100Mb/s的速率接入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),。DM9000與 CPU按照16位方式連接，以太網(wǎng)控制芯片復(fù)位后默認(rèn)工作方式為 I/O連接,。

3軟件設(shè)計(jì)

本網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)采用了基于消息隊(duì)列的多線程以及多進(jìn)程的方式,，實(shí)現(xiàn)了CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)和以太網(wǎng)通信的同步；以太網(wǎng)通信程序采用流行的 socket套接字編程,，傳輸層協(xié)議選擇UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）,。要實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信，可以通過管道,、信號(hào)量,、消息隊(duì)列及共享內(nèi)存區(qū)等多種方式，在不同的系統(tǒng)中使用時(shí)各有優(yōu)點(diǎn),，文獻(xiàn)[2]中提出,，經(jīng)測(cè)試，對(duì)于小消息（100字節(jié)左右）,，在除了darwin6.6以外的所有系統(tǒng)中,，system Ⅴ消息隊(duì)列性能最好。而網(wǎng)關(guān)中每次收發(fā)的數(shù)據(jù)也在 100個(gè)字節(jié)以內(nèi),。所以本設(shè)計(jì)中使用system Ⅴ消息隊(duì)列在進(jìn)程間傳送數(shù)據(jù),。

在軟件設(shè)計(jì)上可將其分為兩大部分：CAN總線設(shè)備通信程序進(jìn)程（主程序）和協(xié)議轉(zhuǎn)換及以太網(wǎng)通信程序進(jìn)程（server）。

3.1 CAN總線設(shè)備通信程序

主程序中,，初始化包括模式寄存器MOD,、命令寄存器CMR、狀態(tài)寄存器SR,、總線定時(shí)寄

存器BTR0,，BTR1、驗(yàn)收代碼寄存器ACR,、驗(yàn)收屏蔽寄存器 AMR和輸出控制寄存器 OCR等的設(shè)置,。下面將創(chuàng)建 3個(gè)線程，CAN數(shù)據(jù)接收線程(CAN.receive),、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送線程（CAN.send）和調(diào)用 server進(jìn)程的線程,。這就保證了兩個(gè) CAN口能分別同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù),網(wǎng)關(guān)同時(shí)也能與上位機(jī)軟件通信。

CAN.receive線程 ： for(;;) {if CAN0口有數(shù)據(jù)

break;} read(ca,rcvbuf,0);//從底層現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中接受各種智能設(shè)備采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或報(bào)警信息，將其存入緩沖區(qū),，然后將 rcvbuf中數(shù)據(jù)放入 msg0.buffer

msgsend(msgid,&msg0,sizeof(struct msgtype0),0);//將數(shù)據(jù)發(fā)送到消息隊(duì)列 0中,。這里發(fā)送到消息隊(duì)列上的數(shù)據(jù)包括 CAN報(bào)文的 ID識(shí)別碼，RTR幀等信息,，即不解析收到的CAN數(shù)據(jù)包內(nèi)容,，直接將其發(fā)送到消息隊(duì)列 0

CAN.send線程： msgrecv(msgid,&msg1,sizeof(struct msgtype1),2,0)；//從消息隊(duì)列1中讀取數(shù)據(jù) 添加本地 CAN地址,，寫入發(fā)送緩沖區(qū)sendbuf,； write(ca,sendbuf,1)；//將從緩沖區(qū)中讀取的數(shù)據(jù)通過 CAN1口發(fā)送到目的CAN節(jié)點(diǎn)當(dāng)然,也可以只用一個(gè) CAN口實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)收發(fā),但這時(shí)要注意防止 CAN口的收發(fā)沖突,

這就要加入互斥鎖[3],。 CAN總線設(shè)備通信程序主要流程如圖 2所示,。

 3.2協(xié)議轉(zhuǎn)換及以太網(wǎng)通信程序

我們知道，CAN協(xié)議為了提高實(shí)時(shí)性采用了短幀結(jié)構(gòu),，而以太網(wǎng)幀相對(duì)要長(zhǎng)得多,；CAN協(xié)議采用載波偵聽多路存取/消息優(yōu)越仲裁（CSMA/AMP）機(jī)制解決沖突，而以太網(wǎng)幀采用CSMA/CD機(jī)制,。這兩點(diǎn)構(gòu)成了 CAN與以太網(wǎng)之間的主要差異,，也使得 CAN-Ethernet網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)換協(xié)議復(fù)雜度提高，但由于本系統(tǒng)中采用了 Server/Client的通信服務(wù)模式,，網(wǎng)關(guān)即作為服務(wù)端，相對(duì)于文獻(xiàn)[4]省去了網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通信這一過程,所以轉(zhuǎn)換協(xié)議也相對(duì)較簡(jiǎn)單,。

在本系統(tǒng)中,，由于網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的是 CAN總線報(bào)文和 UDP報(bào)文的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單,，因此傳輸層協(xié)議選擇較為簡(jiǎn)潔的 UDP協(xié)議,，建立無連接的服務(wù)端。服務(wù)端首先確立端口號(hào),，通過調(diào)用 socket建立套接字,，然后使用 bind綁定本地地址，通過調(diào)用 sendto（）和 recvfrom（）就可以向以太網(wǎng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù),。 定義 Socket地址常用的是 sockaddr_in結(jié)構(gòu),，該結(jié)構(gòu)如下所示： struct sockaddr_in {

在本系統(tǒng)中，Socket地址定義為gatewayAddr,，端口號(hào)設(shè)置為8888,。不同的計(jì)算機(jī)存放多字節(jié)值的順序不同，有的計(jì)算機(jī)在起始地址存放低字節(jié),，有的則起始存放高字節(jié),，為了程序的可移植性，需要將主機(jī)字節(jié)順序轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序。調(diào)用htons()將端口號(hào) 8888轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序,，然后賦值給 gatewayAddr.sin_port,。gatewayAddr.sin_addr. s_addr定義了主機(jī)的 IP地址，在本系統(tǒng)中并不關(guān)心主機(jī)的 IP地址,，故將主機(jī)的 IP設(shè)置為INADDR_ANY,，即可以偵聽局域網(wǎng)內(nèi)的任一主機(jī)的報(bào)文。

協(xié)議轉(zhuǎn)換與以太網(wǎng)通信程序流程如圖 3所示,。



if有udp報(bào)文到達(dá){ recvfrom(gatewayfd,&rcvbuf1,sizeof(rcvbuf1),0,(structsockaddr *)&cliaddr, &clilen),；//接收以太網(wǎng)報(bào)文

將rcvbuf1內(nèi)數(shù)據(jù)放入消息隊(duì)列msg1.buffer；}

else if 消息隊(duì)列 0有 CAN報(bào)文 //通過判斷 CAN報(bào)文標(biāo)志位來實(shí)現(xiàn)

{ msgrcv(msgid,&msg0,sizeof(struct msgtype0),1,0);//接受消息隊(duì)列 0中數(shù)據(jù)

置位 CAN報(bào)文標(biāo)志位,；

將消息隊(duì)列值讀入rcvbuf0,；

sendto(gatewayfd,rcvbuf0,sizeof(struct rcvbuf0),(struct sockaddr *)&cliaddr,clilen); }//將 UDP報(bào)文發(fā)送到以太網(wǎng)

else return;

4應(yīng)用

該網(wǎng)關(guān)應(yīng)用于基于 CAN總線的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)和測(cè)控設(shè)備接入以太網(wǎng)的場(chǎng)合，已經(jīng)在江蘇徐州大屯煤電公司姚橋煤礦得到了應(yīng)用,，目前設(shè)備運(yùn)行良好,。應(yīng)用本網(wǎng)關(guān)可以解決現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備接入以太網(wǎng)的問題，真正實(shí)現(xiàn)了大范圍的數(shù)據(jù)采集和管理,，滿足了煤礦企業(yè)的現(xiàn)代化管理要求,。CAN-Ethernet網(wǎng)關(guān)在井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的位置如圖 4所示。



5結(jié)束語

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：本文設(shè)計(jì)的 CAN-Ethernet網(wǎng)關(guān),，采用ARM 處理器,，軟件上采用消息隊(duì)列機(jī)制實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)程間通信，實(shí)現(xiàn)了基于CAN總線的煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)與礦井綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)的互聯(lián),為煤礦企業(yè)信息化建設(shè)奠定了基礎(chǔ),。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的 CAN-Ethernet通信程序,，無須另外添加轉(zhuǎn)換接口設(shè)備，在原有硬件基礎(chǔ)上僅通過軟件修改即可實(shí)現(xiàn) CAN與以太網(wǎng)的互聯(lián),。