CN101741766A - 一种can网到以太网转换装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明是为核电站快堆过程检测系统的数字化安全监测装置提供满足安全级要求的一种CAN网到以太网的转换装置和方法。装置的结构包括CAN收发器、单片机、以太网收发器、以太网控制器、电源构成，单片机的内部集成CAN控制器，CAN收发器与单片机之间连接有工作模式控制开关。启动运行装置时单片机控制器初始化后，进入主控流程步骤如下：a、以太网数据及CAN数据发送；b、CAN数据接受；c、定时器溢出处理；d、以太网数据发送。增加的硬件切换开关有效的控制在监听模式下不允许向CAN网发送数据。在方法中为装置提供了网络状态监视和自动初始化功能。

Description

一种CAN网到以太网转换装置和方法

技术领域

本发明涉及的是局域网之间不同协议之间的转换装置，尤指CAN(控制器局域网)串行通信协议与以太网协议的在转换装置。

背景技术

随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活性的高要求，CAN(控制器局域网)是串行通信协议，能有效支持高安全等级应用的分布式实时控制。其应用范围覆盖从高速网络到低成本的多路互联。在汽车电子行业领域，应用CAN实现发动机、传感器与防滑刹车等系统的数据传输。

以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网(LAN)中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以10～100Mbps的速率传送信息包，双绞线电缆10Base T以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。在以太网标准中，有两种操作模式：半双工和全双工。半双工模式中，数据是通过在共享介质上采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)协议实现传输的。工业以太网在技术上它与IEEE802.3及IEEE802.3U兼容，但在产品设计制造充分考虑到并满足工业网络应用的需求。

CAN网与以太网的应用各有其自身优点，CAN具有高效的实时性与可靠性，工业以太网具有方便互联的优点。在工业控制应用中，很多应用需要实现CAN网与以太网的转换。现有技术的CAN网与以太网的转换装置采用如图1所示的技术方案，CAN网到以太网转换装置一般包括2部分，硬件与协议部分。硬件包括CAN接口、单片机与以太网接口部分。CAN控制器通常选用SJA1000实现，以太网控制器通常选用RTL8019实现。协议部分是在以太网应用层构建和解析完整的CAN协议数据包。CAN协议数据包作为TCP/IP网络应用层的数据进行传输，它对通信数据的具体实际意义不做任何解释。其中单片机为核心处理器，它实现了CAN控制网络与以太网之间的协议转换。以太网信息管理层的控制指令发送到装置，将TCP/IP协议包数据转换为CAN协议形式发送至CAN控制网络中的指定设备节点，完成信息管理层对现场设备层的控制。同样地，当CAN网络上的设备数据(如定时采样数据或报警信息)要传输到信息管理层时，可将数据发送到装置，再通过网关协议转换程序将CAN协议数据封装成TCP/IP协议的以太网数据帧发送至以太网上的监控计算机。通过这样的结构与单片机核心处理器对协议之间的转换，解决CAN网与以太网之间的转换问题。

核电站中对设备的安全性要求非常高。CAN网与以太网的转换装置必须能工作在2种模式。即：监听模式和配置模式；在监听模式下，不允许向CAN网发送数据；在配置模式下，实现来自以太网的配置信息帧转发到CAN网，同时将CAN网的应答信息帧转发到以太网；这是核电站中对此类装置安全级的要求。在核电站系统中工作温度为-40℃-85℃的工业级温度范围，而这些产品中以太网控制器芯片，几乎使用了RTL8019，不能满足-40℃-85℃温度范围，而且使用该芯片传输速度大为10M，传输速度不快。在时间响应特性方面目前装置无法达到100ms刷新一次的要求。基于上述该装置应用到核电站的系统中是需要做很大的改进，本发明一种CAN网到以太网转换装置的发明人经过在行业内多年的经验与刻苦不断的研究实验，研制出可以克服上述问题的转换装置。

发明内容

本发明目的是为核电站快堆过程检测系统的数字化安全监测装置提供满足安全级要求的一种CAN网到以太网的转换装置。即当装置在监听模式下不允许向CAN网发送数据。

本发明为达上述目的所采用的技术手段是装置的结构包括CAN收发器、单片机、以太网收发器、以太网控制器、电源构成，其特征在于，单片机的内部集成CAN控制器，CAN收发器与单片机之间连接有工作模式控制开关；工作模式控制开关数量为两个；工作模式开关分别为监听模式开关和配置模式开关；在监听模式下不允许向CAN网发送数据；以太网通信介质为光纤通信；CAN网到以太网转换装置的方法，启动运行装置时单片机控制器初始化后，进入主控流程步骤如下：

a、以太网数据及CAN数据发送；

b、CAN数据接受；

c、定时器溢出处理；

d、以太网数据发送。

单片机控制器初始化的步骤如下：

a、MCU初始化；

b、工作模式配置，当外置开关拨入监听模式系统进入监听模式，当外置开关拨入配置模式系统进入配置模式，配置正确进入步骤c，配置不正确进入步骤a；

c、以太网控制器复位；

d、物理地址装载；

e、以太网协议初始化，配置正确进入步骤f，配置不正确返回到步骤a；

f、CAN初始化；

g、定时器初始化；

h、全局变量初始化；

i、点亮系统运行指示灯。

步骤a以太网接受数据的长度为78个字节，以太网发送数据的长度为1024个字节；一种CAN网到以太网转换装置的时间响应特性是100ms刷新一次。

本发明通过使用上述的技术手段带来的有益效果是增加的硬件切换开关有效的控制在监听模式下不允许向CAN网发送数据。在方法中为装置提供了网络状态监视和自动初始化功能。

附图说明

图1为本装置的结构图。

图2为本装置的电路图。

具体实施例

本实施例的工作温度是在-40℃-85℃的工业级范围内，时间响应特性是每100ms刷新1次，实时传输数据延时小于100ms。本装置包括硬件与协议两部分构成。

如图1所示是装置硬件部分的结构图。由CAN收发器、MCU、以太网控制器、以太网收发器构成。CAN收发器通过数据线与MCU内部集成了CAN控制器连接；在CAN收发器与MCU之间连接两个工作模式的拨码开关，通信模块的工作模式通过拨码开关设置，分别为监听模式拨码开关和配置模式拨码开关。当装置设置为监听工作模式的同时将CAN发送数据线断开，保障装置在监听模式下以太网不向CAN网发送数据，保证数据流的单向性。

如图2所示是装置的电路图。供电设计的可靠性直接影响系统的性能。装置采用隔离型DC/DC模块实现装置与系统电源的隔离。采用隔离型DC/DC模块实现CAN网络与装置的隔离。以太网电路为3.3V，属于系统内部逻辑，不需要进行隔离。由高效率的降压转换器实现电压转换。本实施例选用freescale公司的MC9S12DG128 16位单片机作为控制器。CAN总线收发器采用PCA82C250T。通过Tyco公司IM02GR切换数据接收，保证系统的可靠性。装置工作在监听模式时，通过IM02GR将接收数据线RXD断开，工作在配置模式时，通过IM02GR将接收数据线RXD导通。由HCPL0611实现CAN网络与装置内部的隔离。以太网部分，选择SMSC公司的以太网控制器LAN91C111实现MAC层功能，Intel公司的LXT971A实现PHY层功能。MAC与PHY通过MII接口进行数据交互。为了保证数据传输的可靠性和隔离性能，采用光纤介质进行数据传输。选择AVAGO公司的HFBR5803AT光模块实现光电转换。

本实施例使用的方法是在启动装置后MCU进行初始化，选择工作模式配置开关，两种运行模式的选择靠控制模块外置开关触发：在模式选择时，当外置开关拨至监听模式时，系统进入监听模式；当外置开关拨至配置模式时，系统进入配置模式；如果配置正确进入以太网控制器复位，否则返回启动装置后MCU进行初始化；对模块中的MAC地址装载；以太网协议初始化；如果配置正确，进入CAN初始化，否则返回到启动装置后MCU进行初始化；CAN初始化；定时器初始化；全局变量初始化；点亮系统运行指示灯。

在上述流程处理完毕后装置开始运行主控流程，主流程包括4个主要部分，循环执行，按照处理顺序分别为：(a)以太网数据接收及CAN数据发送部分；在这部分如果以太网有数据接收，首先接收数据长度，以太网接受数据的长度是78个字节，以太网发送的长度是1024个字节。如果长度有效进入接收的数据帧保存，否则进入(b)CAN数据接收部分处理流程；如果为监听帧，刷新MAC地址，进入(b)CAN数据接收部分处理流程；如果为整定帧，刷新MAC地址，将接收参数转发到CAN网，进入(b)CAN数据接收部分处理流程；如果既不是监听帧也不是整定帧，舍弃处理；将以太网接收缓冲区释放。进入(b)CAN数据接收部分处理流程；(b)CAN数据接收部分；如果CAN网有数据接收，继续进行此部分处理，否则进入(c)定时器溢出处理部分流程；将数据保存到接收缓冲区；CAN数据帧接收计数加1；调整接收缓冲区指针；进入(c)定时器溢出处理流程；(c)定时器溢出处理部分；重新设置定时时间；清定时器溢出标志；将当前接收缓冲区与发送缓冲区指针对调；CAN网诊断周期的时间累加；读取CAN诊断周期时间，如果在设定时间内没有CAN数据接收，重新初始化CAN网，否则，CAN诊断时间复位；将本定时周期内接收CAN帧的个数保存到全局变量，同时将记录CAN帧个数的变量清零；CAN接收缓冲区指针复位；以太网发送次数复位；将本周期内接收的CAN数据发送到以太网；清看门狗；进入(d)以太网数据发送部分处理流程；(d)以太网数据发送部分。读取发送次数，如果大于或等于发送次数，进入(a)以太网数据接收及CAN数据发送部分处理流程；读取发送标志；如果上次已经成功发送，继续启动本次发送；进入(a)以太网数据接收及CAN数据发送处理部分流程，结束处理。其中通过对长度的确定与使用定时器的设置使装置的时间响应特性为100ms刷新一次。

Claims (9)

1.一种CAN网到以太网转换装置，装置的结构包括CAN收发器、单片机、以太网收发器、以太网控制器、电源构成，其特征在于，单片机的内部集成CAN控制器，CAN收发器与单片机之间连接有工作模式控制开关。

2.根据权利要求1所述的一种CAN网到以太网的转换装置，其特征在于工作模式控制开关数量为两个。

3.根据权利要求1或2所述的一种CAN网到以太网的转换装置，其特征在于工作模式开关分别为监听模式开关和配置模式开关。

4.根据权利要求3所述的一种CAN网到以太网的转换装置，其特征在于工作模式在监听模式下不允许向CAN网发送数据。

5.根据权利要求1所述的一种CAN网到以太网的转换装置，其特征在于以太网通信介质为光纤通信。

6.一种CAN网到以太网转换装置的方法，启动运行装置时单片机控制器初始化后，进入主控流程步骤如下：

a、以太网数据及CAN数据发送；

b、CAN数据接受；

c、定时器溢出处理；

d、以太网数据发送。

7.根据权利要求6所述的一种CAN网到以太网转换装置的方法，其中单片机控制器初始化的步骤如下：

a、MCU初始化；

b、工作模式配置，当外置开关拨入监听模式系统进入监听模式，当外置开关拨入配置模式系统进入配置模式，配置正确进入步骤c，配置不正确进入步骤a；

c、以太网控制器复位；

d、物理地址装载；

e、以太网协议初始化，配置正确进入步骤f，配置不正确返回到步骤a；

f、CAN初始化；

g、定时器初始化；

h、全局变量初始化；

i、点亮系统运行指示灯。

8.根据权利要求6所述的一种CAN网到以太网转换装置的方法，其中步骤a以太网接受数据的长度为78个字节，以太网发送数据的长度为1024个字节。

9.根据权利要求6或8所述的一种CAN网到以太网转换装置的方法，其中一种CAN网到以太网转换装置的时间响应特性是100ms刷新一次。

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