通信与网络中的CAN与以太网数据交换的研究与分析
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2020-12-10
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通信与网络中的通信与网络中的CAN与以太网数据交换的研究与分析与以太网数据交换的研究与分析
摘要：主要介绍将CAN现场总线以协议中的标准模式接入以太网的方法，实现CAN网络中的数据和以太网中的
数据进行简单交换；给出相应的硬件和软件原理以及重点难点说明。 关键词：CAN总线 以太网 数据交换
TCP/IP协议 BasicCAN模式1 技术背景CAN（Controller Area Network——控制器局域网）是一种由带CAN控制
器组成高性能串行数据局域通信网络，是国际上应用最广泛的现场总线之一。它最早由德国Bosch公司推出，用
于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范已被ISO估计标准组织制定为国际标准。由于其具有多
主机、传输距离远（最远为10km）、传输速度快（最
摘要：摘要：主要介绍将CAN现场总线以协议中的标准模式接入以太网的方法，实现CAN网络中的数据和以太网中的数据进行简单
交换；给出相应的硬件和软件原理以及重点难点说明。
关键词：关键词：CAN总线 以太网 数据交换 TCP/IP协议 BasicCAN模式
1 技术背景技术背景
CAN（Controller Area Network——控制器局域网）是一种由带CAN控制器组成高性能串行数据局域通信网络，是国际上
应用最广泛的现场总线之一。它最早由德国Bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范已被
ISO估计标准组织制定为国际标准。由于其具有多主机、传输距离远（最远为10km）、传输速度快（最快为1Mbps）、抗干
扰能力强等诸多优点，所以被认为是最有发展前途的现场总线之一。
CAN协议是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的。1991年9月，Philips Semiconductors制定并发布的CAN
技术规范Version2.0为现行最高版本。其中规定了两种模式：标准模式和扩展模式。本文主要对标准模式进行介绍。
TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol——传输控制协议/网络协议）是一个工业标准的协议集，包括
IP、TCP、UDP等子协议，保证数据在网络上的正确传输。TCP/IP协议是现代因特网的基础。
TCP/IP协议为四层模型：应用层、传输层、网络层和数据链路层。每层都有不同的功能，而且层和层之间在逻辑上是相
互独立的。每层都对应一些子协议，如图1所示。本文用到的协议包括ARP、IP和TCP等。
2 应用背景应用背景
CAN总线在很多行业被广泛应用。由其组成的局域网可以将很多底层测控设备连接起来，最远距离可达10km(在不接中继
器的条件下)。相对其它现场总线，该距离已经是很远了。但随着以太网的发展，人们希望对底层设备也能进行真正意义上的
远程控制。工控机加接口卡已经被用来实现这一目的，但价格和接口卡带来的瓶颈等问题也随之暴露出来。本文是以单片机、
CAN器件和网络芯片为核心的模块来完成该功能进行叙述的。这种方案降低了成本，避免了瓶颈。
3 硬件部分硬件部分
硬件的实现方案有多种，可以采用集成TCP/IP协议的单片机外加CAN收发器和控制器；也可采用集成CAN控制器的单片
机外加CAN收发器和网络芯片。本文的实例采用不带任何集成的单片机Philips P89C668，外加CAN控制器SJA1000、CAN收
发器TJA1050以及网络芯片RTL8019AS，组成一个转换模块，功能模块如图2所示。
P89C668：微控制器，主要的控制部分，实现对网络芯片以及CAN器件的控制，并进行两者之间的协议转换。
SJA1000：CAN控制器，两种工作模式（BasicCAN和PeliCAN）。BasicCAN仅支持标准模式，PeliCAN支持CAN2.0B的
标准模式和扩展模式（本文仅介绍BasicCAN模式）。支持错误分析功能，对CAN收发器进行控制，为微控制器提供了控制
CAN总线的简单接口。
TJA1050：CAN收发器，微控制器对CAN控制器进行相应配置后，收发器自动过完成相应的CAN总线动作。
RTL8019：网络芯片，提供给微控制器控制以太网的简单接口，使微控制器只需要对其进行相应读写即可完成对以太网的
操作。
实验中另外用到一个CAN模块作为一个CAN节点，和转换模块一起组成一个简单的CAN网。
4 软件部分软件部分
4.1 CAN编程
BasicCAN模式中的CAN编程相对简单，只需要对SJA1000相应的寄存器进行读写操作即可。在该模式下，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。发送缓冲区寄存
器的描述如表1所列，它与接收缓冲区寄存器结构大体相同，只是地址不同。
表表1 发送缓冲区寄存器发送缓冲区寄存器
名 称 位7 位6 位5 位4 位3 位2 位1 位0
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