CN1798114A

CN1798114A - 一种can总线－以太网网桥

Info

Publication number: CN1798114A
Application number: CNA2004100992234A
Authority: CN
Inventors: 陆海春; 黄鹤; 张平; 顾海宏; 刘赟; 陈亚杰; 段征; 刘预学; 彭宁华; 雷雨; 史文祥; 吕健
Original assignee: 711th Research Institute of CSIC
Current assignee: 711th Research Institute of CSIC
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2004-12-29
Publication date: 2006-07-05

Abstract

本发明提供一种CAN总线－以太网网桥，其包含通过内部总线互连在一起的以太网通信单元、至少两个CAN总线通信单元、数据缓冲器和微控制器，所述以太网通信单元连接至以太网，所述CAN总线通信单元连接至同一设备层CAN总线，在所述微控制器的控制下，所述CAN总线通信单元和以太网通信单元负责数据在以太网和CAN总线上的转发，所述微控制器实时监测所述其中一个CAN总线通信单元的状态并在出现故障时采用另外一个CAN总线通信单元实现数据转发操作。在本发明中，通过在CAN总线侧采用主从式结构提供冗余功能，大大提高了系统的可靠性。

Description

一种CAN总线-以太网网桥

技术领域

本发明涉及计算机通信技术，特别涉及一种连接CAN总线与以太网的冗余异型网桥。

背景技术

CAN总线网络是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，最初由德国Bosch公司于80年代提出，主要用于汽车内部测试和控制仪器之间的数据通信。目前CAN总线规范已被国际标准化组织ISO制订为国际标准ISO11898，并得到了Motorola、Intel、Philips等大半导体器件生产厂家的支持，迅速推出各种集成有CAN协议的产品。CAN网络具有以下特点：

(1)采用通讯数据块编码，可实现多主工作方式，数据收发方式灵活，可实现点对点、一点对多点及全局广播等多种传输方式；可将DCS结构中主机的常规测试与控制功能分散到各个智能节点，节点控制器把采集到的数据通过CAN适配器发送到总线，或者向总线申请数据，主机便从原来繁重的底层设备监控任务中解放出来，进行更高层次的控制和管理功能，比如故障诊断、优化协调等；

(2)采用非破坏性基于优先权的总线仲裁技术，具有暂时错误和永久性故障节点的判别及故障节点的自动脱离功能，使系统其它节点的通信不受影响，同时CAN具有出错帧自动重发功能，可靠性高；

(3)信号传输用短帧结构(8字节)，实时性好；

(4)不关闭总线即可任意挂接或拆除节点，增强了系统的灵活性和可扩展性；

(5)采用统一的标准和规范，使各设备之间具有较好的互操作性和互换性，系统的通用性好；

(6)通讯介质可采用双绞线，无特殊要求；现场布线和安装简单，易于维护，经济性好。

总之，CAN总线具有实时性强、可靠性高、结构简单、互操作性好、价格低廉等优点，克服了传统的工业总线的缺陷，是一种有效的解决方案。

随着全船网络的兴起，现场总线网络与上层的工业以太网之间联系越来越紧密。为了真正实现全船网络化，一般采用网桥将现场总线网络与工业以太网连接起来以实现数据共享。但是以太网与现场CAN网络在结构、性能和功能上都存在着不同程度的差异，因此将它们互连起来必须克服它们之间的差异给彼此通信带来的影响，其基本要求是：

(1)在互连的网络之间提供一条互连的链路，即至少有一条物理链路和对其实施控制的规程。

(2)为不同网络的进程间的通信提供合适的路由控制和数据交换。

(3)为网间通信提供良好的服务机制(如状态报告等)。

为提供上述服务，应力求不改变二者各自的体系结构而借助网络互连设备来协调和适配网络之间的各种差异。

网络互连设备称为中继系统，用于传送网络之间的数据和中止每个网络内部协议。根据中继系统在OSI/RM的不同层次实现协议和功能的转换，将中继系统分为5种：转接器(repeater)、网桥或桥接器(bridge)、路由器(router)、桥路器(brouter)、网关(gateway)。

由于CAN总线体系结构为3层：物理层、数据链路层和应用层，因此与OSI七层体系结构的网络互连应在数据链路层，适合的互连方式是采用桥接器，又称网桥，是一种存储转发设备。

在2003年7月3日提交的发明名称为“带有在过滤数据库中减缩的输入项的网桥装置”的美国专利申请中公开了一种网桥，包括过滤数据库和切换部分，其中，过滤数据库存储发送源网桥装置的源地址组，发送源网桥装置地址包括子网ID、节点ID和端口ID，子网ID是分配给发送源网桥装置所属的子网的ID，节点ID是分配给发送源网桥装置的ID，端口ID是分配给发送源网桥装置的每个端口的ID。切换部分连接网桥装置的各端口，它与过滤数据库相连以确定网桥装置的一个端口作为输出发送帧的输出端口，同时还发送帧通过该网桥装置的另外端口被接收。

又如1995年3月21日提交的的发明名称为“网桥”的美国专利“网桥”和2002年1月24日提交的发明名称为“在使用UTOPIA-LVDS网桥时用于建立通讯系统中帧同步的方法和装置”的美国专利也涉及到了异型网络之间的数据共享技术和数据通讯技术。

为了可靠地实现数据共享，现场总线必须具有冗余功能。但是上述这些网桥技术都未提供现场总线网络的冗余技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种CAN总线-以太网网桥，其通过提供冗余网络功能大大提高了系统的可靠性。

本发明的上述目的通过下列技术方案实现：

一种CAN总线-以太网网桥，包含通过内部总线互连在一起的以太网通信单元、至少两个CAN总线通信单元、数据缓冲器和微控制器，所述以太网通信单元连接至以太网，所述CAN总线通信单元连接至同一设备层CAN总线，其中，所述网桥完成下列操作：

在所述微控制器的控制下，所述CAN总线通信单元将欲转发至以太网的若干CAN协议报文存储在所述数据缓冲器内，所述以太网通信单元将其中一个CAN总线通信单元欲转发至以太网的若干CAN协议报文封装在以太网协议报文内并发送至以太网，并且所述微控制器实时监测所述其中一个CAN总线通信单元的状态并在出现故障时采用另外一个CAN总线通信单元实现数据转发操作；

在所述微控制器的控制下，所述以太网通信单元从以太网协议报文中解析出欲转发至CAN总线的CAN协议报文，并存储在所述数据缓冲器内以将所述CAN报文发送到CAN总线上。

在上述CAN总线-以太网网桥中，为了防止数据在传输过程中丢失，比较好的是，所述数据缓冲器为所述欲转发至以太网的CAN协议报文和欲转发至CAN总线的CAN协议报文预留不同的存储区域。

在上述CAN总线-以太网网桥中，所述以太网通信单元包括以太网通信控制器RTL8019AS和隔离变压器，其中，所述以太网通信控制器RTL8019AS连接至所述内部总线并经所述隔离变压器连接至以太网。

在上述CAN总线-以太网网桥中，所述第一和第二CAN总线通信单元皆包括独立CAN通信控制器SJA1000、CAN控制器接口芯片82C250，其中，所述独立CAN通信控制器SJA1000连接至所述内部总线并经光电隔离器件与所述CAN控制器接口芯片82C250连接，并且所述微控制器根据所述其中一个CAN总线通信单元的独立CAN通信控制器SJA1000的错误代码寄存器的数值确定所述其中一个CAN总线通信单元的状态。

在上述CAN总线-以太网网桥中，所述微控制器采用微控制器ADμC812。

在本发明的网桥中，CAN协议与以太网协议之间的转换在应用层实现，因此可以充分利用现有的设备和现成的产品，这有助于加快开发速度和减少开发工作量。在本发明中，通过在CAN总线侧采用主从式结构提供冗余功能，具体而言，正常情况下采用其中一个CAN通信单元作为主设备，另一CAN通信单元作为从设备起备份作用，当主设备出现故障时即启用从设备。为了监测主设备的状态，本发明充分利用现场总线的实时故障诊断功能，一旦发现CAN总线控制器发生错误码溢出，就立即实现无扰动切换。此外，为了防止数据在传输过程中丢失，本发明还采用双缓冲区技术来采集和存储数据。

附图说明

通过以下结合附图对本发明较佳实施例的描述，可以进一步理解本发明的目的、特征和优点，其中：

图1示出了按照本发明较佳实施例的协议转换结构示意图。

图2示出了按照本发明较佳实施例的网桥结构框图。

具体实施方式

如图1所示，为了实现CAN总线与以太网之间的数据共享，网桥应该至少具备下列逻辑功能模块：CAN协议转换模块11、以太网协议转换模块12、数据缓存模块13和控制模块14，其中，CAN协议转换模块11实现CAN网络数据链路层和物理层通信协议，负责将CAN协议报文发送至CAN总线，以太网协议转换模块12实现以太网的数据链路层和物理层通信协议，负责将CAN协议报文封装在以太网协议报文内并转发至以太网，以及从以太网协议传输层报文中提取CAN协议报文，数据缓存模块13负责存储欲转发至以太网和CAN总线的CAN协议报文，而控制模块14负责整个协议转换过程的协调和管理。为了使现场总线具备冗余功能，在本发明中，CAN协议转换模块11应采用主从结构配置，并且由控制模块14负责在主设备出现故障时实时无扰动切换至从设备。

图2示出了实现上述转换和切换功能的网桥原理框图。该网桥包括微控制器21、CAN总线通信单元22a、22b、以太网通信单元23和数据缓冲器24。

CAN总线通信单元22a包含CAN通信控制器221a和CAN控制器接口芯片222a，在本实施例中，它们分别采用独立通信控制器芯片SJA1000和CAN控制器接口芯片82C250实现，直接实现了CAN数据链路层和物理层的通信协议，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期。

SJA1000芯片用于控制CAN总线中的信号传输，它通过内部地址数据控制总线25与微控制器21、数据缓冲器24和输人/输出接口模块(未画出)相连，并通过CAN控制器接口芯片82C250连接在物理总线上。SJA1000芯片在软件上和引脚上都与PCA82C200独立控制器兼容，并具备下列新功能：标准帧数据结构和扩展帧数据结构，并且这两种帧格式都具有单/双接收过滤器，开放性强；64字节的接收FIFO，可以接受大批数据；可读写访问的错误计数器和错误限制报警以及只听方式等等，可靠性高；提供短报文格式，报文传递速度快，网络实时性强。

CAN控制器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态，由此可以保证在系统有错误时出现多节点同时向总线发送数据的情况，避免了总线短路和节点的损坏。

为进一步提高系统抗干扰能力，在CAN总线通信单元22a中，CAN控制器SJA1000与CAN控制器接口82C250通过光电隔离芯片223a相连，并采用DC-DC变换器隔离电源。此外，通信信号传输到导线的端点时会发生反射，反射信号将干扰正常信号的传输，为消除反射信号，总线两端接有终端电阻，其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。

CAN总线通信单元22b同样通过上述内部地址数据控制总线25与微控制器21、数据缓冲器24和输人/输出接口模块(未画出)相连，并连接在CAN物理总线上，其与CAN总线通信单元22a互为备份，从而提供冗余功能。由于CAN总线通信单元22b的结构和工作原理与CAN总线通信单元22a相同，因此此处不再赘述。

以太网通信单元23包括以太网控制器23a和隔离变压器23b，控制器23a采用台湾Realtek公司生产的RTL8019AS以太网控制器芯片实现。该芯片通过内部地址数据控制总线25与微控制器21、数据缓冲器24等相连，并经过隔离变压器23b连接至以太网，使得外部控制单元只需要对其进行读写即可完成对以太网的操作。

微控制器21为核心处理器，它负责协调和管理CAN协议-以太网协议之间的转换和CAN总线通信单元之间的切换过程，具体而言，其与CAN总线通信单元22a或22b协同实现图1中CAN协议转换模块11的功能，并与以太网通信单元23协同实现图1中以太网协议转换模块12的功能。

在本实施例中，微控制器21选用AD公司的ADμC812芯片，该芯片对8052兼容，片上带有8K片内程序闪存和640字节数据闪存，不需要扩展程序存储器和数据存储器，减少了元器件数量；并且该芯片可以通过串口在线调试和重复下载程序，开发周期短，开发成本低。

数据缓冲器24提供了图1中数据缓存模块13的功能，其采用一块8K的RAM实现，它通过上述内部地址数据控制总线25分别与微控制器21、CAN总线通信单元22a和22b、以太网控制器单元23相连。

以下描述图2所示网桥的工作原理。这里假设CAN总线通信单元22a为当前的主设备，并且SJA1000芯片工作在BasicCAN模式下。在BasicCAN模式下，报文识别码为11位，在经过验收滤波器的筛选后，符合条件的报文才能被接收，并存入SJA1000芯片的接收缓冲区。识别码值越小，优先级越高。如果总线上出现报文冲突，优先级高的报文选占据总线。CAN节点间每次最多传送的数据为10个字节。它与接收缓冲区寄存器结构大体相同，只是地址不同。

当以太网应用层有数据要发送到CAN节点时，首先，以太网协议报文被以太网通信单元23从传输层数据报文中解析出完整的CAN协议报文，存放在数据缓冲器24的其中一个区域A内，然后微控制器21指令CAN总线通信单元22a从数据缓存存储器24的区域A提取CAN协议报文并按照BasicCAN模式将CAN协议报文发送到CAN总线上。

反过来，当CAN设备有数据要发送到用户层时，首先，CAN协议报文由CAN总线通信单元22a和22b将CAN协议报文存放在数据缓冲器24的另外两个区域B1和B2内。由于CAN协议报文的长度小于以太网协议报文的长度，因此可以将若干CAN协议报文封装在一个以太网协议报文内。如上所述，这里假设CAN总线通信单元22a为当前的主设备，因此以太网通信单元23在微控制器21的指令下，从数据缓冲器24的区域B1内提取若干CAN协议报文，并将去除地址和个数信息的数据作为应用层数据封装起来以发送到以太网。

SJA1000芯片错误代码寄存器中的数值可以用来判断该CAN通信控制器所属设备是否出现故障。在工作状态下，微控制器21通过上述地址数据控制总线访问CAN总线通信单元22a以读取其SJA1000芯片的错误代码寄存器，一旦判断SJA1000芯片的错误寄存器出现异常数值，则微控制器21指令CAN总线通信单元22a从数据缓存存储器24的区域A提取CAN协议报文并按照BasicCAN模式将CAN协议报文发送到CAN总线上，并且指令以太网通信单元23从数据缓冲器24的区域B2内提取若干CAN协议报文，并将去除地址和个数信息的数据作为应用层数据封装起来以发送到以太网。

Claims

1、一种CAN总线—以太网网桥，其特征在于，包含通过内部总线互连在一起的以太网通信单元、至少两个CAN总线通信单元、数据缓冲器和微控制器，所述以太网通信单元连接至以太网，所述CAN总线通信单元连接至同一设备层CAN总线，其中，所述网桥完成下列操作：

2、如权利要求1所述的CAN总线—以太网网桥，其特征在于，所述数据缓冲器为所述欲转发至以太网的CAN协议报文和欲转发至CAN总线的CAN协议报文预留不同的存储区域。

3、如权利要求1或2所述的CAN总线—以太网网桥，其特征在于，所述控制单元的功能采用微控制器ADμC812实现。

4、如权利要求3所述的CAN总线—以太网网桥，其特征在于，所述以太网通信单元包括以太网通信控制器RTL8019AS和隔离变压器，其中，所述以太网通信控制器RTL8019AS连接至所述内部总线并经所述隔离变压器连接至以太网。

5、如权利要求4所述的CAN总线—以太网网桥，其特征在于，所述第一和第二CAN总线通信单元皆包括独立CAN通信控制器SJA1000、CAN控制器接口芯片82C250，其中，所述独立CAN通信控制器SJA1000连接至所述内部总线并经光电隔离器件与所述CAN控制器接口芯片82C250连接，并且所述微控制器根据所述其中一个CAN总线通信单元的独立CAN通信控制器SJA1000的错误代码寄存器的数值确定所述其中一个CAN总线通信单元的状态。