基于以太网与CAN现场总线的嵌入式网关设计

　　本文为一种工业现场总线与以太网互联方法，介绍以太网与CAN现场总线之间协议转换网关的设计与实现，采用AT89C55作为主处理器，通过两个接口芯片实现CAN总线与以太网的互连，分别给出其硬件结构和软件设计思想。为企业信息网络与控制网络集成提供一种可行的方法。

　　1、硬件结构

　　目前，对于CAN和以太网相连的嵌入式网关设计主要有两种方法：一种是低档MCU加接口芯片的设计方法，另一种是高档MCU加EOS（实时多任务操作系统）再加接口芯片的设计方法。因CAN只采用了ISO/OSI参考模型的一、二层，协议相对简单，比较适合用于低成本、速率要求不高的离散控制系统。从合理的成本和有效利用处理能力这两方面考虑，该设计采用低档MCU加接口芯片的方法，其硬件框图见图1。

　　图1 硬件原理图

　　1.1 主控芯片及以太网接口模块

　　根据要求，该系统选择了性能价格比较高的Atmel公司生产的AT89C55单片机。它是面向测控对象和嵌入式应用的，所以它的体系结构以及CPU、指令系统、外围单元电路都是按照这种要求专门设计的。它内部带高达20 KB的FLASH程序存储器，AT89C55完全兼容8051指令集，片上FLASH方便了使用者进行在线编程，工作速率最高可达33 MHz，256 B的内部RAM，32个可编程的I/O口，3个16位的定时/计数器，8个中断源，支持低功耗的空闲工作模式。以太网接口选用的是RTL8019AS芯片，它是由Realtek公司生产的一种高度集成的以太网控制器，能实现以太网媒介访问层（MAC）和物理层（PHY）的全部功能。RTL8019AS内部有两个RAM区域：一是16 KB，地址为0x4000~0x7fff，要接收和发送数据包必须通过DMA读写RTL8019AS内部的16 KB的RAM，它实际上是双端口RAM，即有两条总线与其连接，一条总线用于RTL8019AS读/写或写/读该RAM，即本地DMA;另一条总线用于单片机读或写该RAM，即远程DMA;二是32个字节，地址为0x0000~0x001F，用于存储以太网物理地址。主控芯片和以太网接口芯片的硬件接口原理图见图2。值得注意的是由于以太网的包最大可以超过1 500个字节，AT89C55的片内RAM只有256个字节，因此无法存储这么大的包，所以这里扩展了一个32 KB的外部RAM，这样同时也能提高单片机的数据传输速度。

　　图2 以太网接口电路原理图

　　1.2 CAN接口模块

　　组成CAN系统的主要器件是CAN控制器和收发器。该设计中，CAN接口模块选用SJA1000芯片和PCA82C250芯片。SJA1000是一个独立的CAN控制器，它是Philips公司另一个CAN控制器PCA82C200的替代产品，且增加了一种新的工作模式（Peli CAN），这种模式支持CAN 2.0B协议。SJA1000主要完成CAN的通信协议，实现报文的装配和拆分、接收信息的过滤和校验等。