CAN总线与以太网接口技术研究Word格式.docx
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2.5.2发送缓冲器和接收缓冲器22
2.6SJA1000的验收滤波器原理23
2.6.1单滤波23
2.6.2双滤波24
2.7CAN控制器中位定时参数设置的一般方法24
2.8CAN通信协议的制定25
2.9CAN节点软件系统的设计26
2.9.1CAN节点的软件结构26
2.9.2建立CAN通信的步骤和流程26
2.9.3SJA1000初始化程序的设计方法27
2.9.4读写SJA1000寄存器28
2.9.5SJA1000数据接收程序设计方法29
2.9.6SJA1000数据发送程序设计方法30
第三章以太网总线智能节点设计32
3.1以太网控制器RTL8019AS功能简介32
3.2以太网控制器RTL8019AS的基本结构32
3.2.1RTL8019AS内部结构说明34
3.2.2RTL8019AS引脚图及部分管脚设置34
3.3RTL8019AS寄存器37
3.3.1RTL8019AS寄存器表37
3.3.2寄存器功能说明38
3.4以太网节点硬件系统的设计43
3.4.1RTL8019AS与单片机的连接43
3.4.2地址锁存器74LS37345
3.4.3以太网接口46
3.5以太网节点软件系统的设计46
3.5.1复位RTL8019AS46
3.5.2RTL8019AS寄存器的读写47
3.5.3RTL8019ASRAM的操作47
3.5.4RTL8019AS的初始化48
3.5.5RTL8019AS的数据接收程序设计方法49
3.5.6RTL8019AS的数据发送程序设计方法51
第四章结论52
4.1论文总结52
4.2感想53
致谢54
参考文献55
附录A：
硬件设计原理图与PCB图56
附录B：
软件程序清单57
第一章绪论
1.1引言
随着网络技术和信息技术的迅速发展，自动化领域产生了深刻的变革，并逐渐形成了网络化、全开放、全分布的自动控制体系结构。
而现场总线正是这场深刻变革中的重要技术。
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。
它的关键是把网络化、信息化的概念彻底引入到控制领域和工厂的控制中。
构建完整的控制网络和信息网络，不仅可实现高度灵活、高可靠性的分散控制，而且可以实现全厂，甚至全世界范围内的信息共享，优化企业生产过程，实现企业的量化管理，提高企业的生产效率。
1.2选题的背景与意义
当今的以太网技术虽然有其优势，但要直接用于工业控制，仍然面临一些未解决的问题。
同时，由于现场总线具有不可代替的优点，与以太网相比，更适合用于控制网络。
因此，工业企业中，一般把现场总线用于车间、生产现场等生产第一线，作为控制网络，而以太网主要应用于企业管理层和生产监控层。
由于不同现场总线之间没有统一的标准、难以接入因特网等缺点，使得目前大部分企业的控制网络和信息网络相互独立，甚至不同的控制网络之间相互独立，不同网络的互联仍然是一个急需解决的问题。
这就为本课题的研究提供了机遇，也是本课题研究的意义所在。
1.3研究现状
现代化的发展使人们对生产过程的性能控制提出了更高的要求，这使得企业管理者、工程师需要获取更多的来自现场的信息，从而实现从现场控制到监控、管理、决策、商务等各个层次的信息交换与集成，以提高生产效率和市场竞争力。
这种需求推动了现场总线技术的诞生，呼唤着以现场总线为纽带,以分散的智能测控设备为节点的网络系统与控制系统的出现，并对传统模拟仪表控制系统、非开放性的DCS系统发起了革命性的挑战。
1.3.1现场总线控制系统的优点
系统的开放性:
开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可互连为系统而实现一致通信与信息交换。
在FCS中，用户可以根据需要,将遵从相同协议的不同厂家的产品集成到一个规模随意的系统中,通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统,从根本上打破了DCS系统的封闭性。
互可操作性与互用性:
互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传递与沟通;
互用性则指不同生产厂家的性能类似的设备之间可以实现相互替换。
现场设备的智能化与功能自治性:
现场总线系统将传感测量、补偿计算与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
系统结构的高度分散性:
现场总线己构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上改变了现有的DCS系统体系，简化了系统结构,提高了可靠性。
对现场环境的适应性：
工作在生产现场，作为工厂网络底层的现场总线,是专为现场环境设计的,可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信,并可满足安全防爆要求。
节省硬件数量与投资：
现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行传感测量、补偿计算与控制等功能,故可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了硬件投资，并减少了控制室的占地面积。
节省安装、维护费用：
现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上可以挂接多台设备,故可节省大量的电缆、端子、槽盒、桥架，而连线设计与接头校对的工作量也可大大减少。
当需要增加现场控制设备时，无需增加新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，即节省了投资，也减少了设计安装的工作量。
由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行、诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护时间，减少了维护的工作量。
提高了系统的准确性与可靠性：
现场总线设备的智能化和数字化，从根本上提高了测量与控制的精度。
同时，由于系统的结构简化，设备与连线的减少，现场仪表内部功能的加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的可靠性。
1.3.2CAN总线简介
CAN（ControllerAreaNetwork,控制器局域网）是一种高性能、高可靠性、易开发且低成本的现场总线，在全球得到广泛应用，也是最早在我国应用的现场总线之一。
CAN是20世纪80年代（1983）德国Bosch（博世）公司为解决众多的测量控制部件之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信总线。
最初，CAN作为汽车的监测、控制系统而设计，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。
比如：
发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。
现在，由于CAN总线自身的特点，其应用领域已由汽车行业扩展到过程工业、机械工业、机器人和楼宇自动化等领域。
1.4本文的结构
本文以以太网和CAN总线的通讯接口的研发工程项目作为应用背景，对以太网和CAN总线的通讯技术进行了研究。
全文共分为四章，各章的主要内容如下：
第一章扼要地介绍了现场总线以及CAN总线的概念、特点和相关研究背景；
第二章研究了CAN智能节点的硬件电路和软件程序设计；
第三章研究了以太网智能节点的硬件电路和软件程序设计；
第四章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。
第二章CAN总线智能节点设计
2.1CAN控制器SJA1000功能简介
SJA1000是一种独立CAN控制器，它是PHILIPS公司的PCA82C20OCAN控制器的替代产品。
SJA1000具有BasicCAN和PeliCAN两种工作方式，PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议，SJA1000在软件和引脚上都是与它的前一款PCA82C200独立CAN控制器兼容的，并在此基础上增加了很多新的功能。
为了实现软件兼容，SJA1000采用了两种工作方式：
BasicCAN方式（PCA82C200兼容方式），PeliCAN方式（扩展特性方式）。
工作方式通过时钟分频寄存器中的CAN方式位来选择，上电复位默认工作方式是BasicCAN方式。
2.2CAN控制器SJA1000的基本结构
SJA1000的内部功能框图如图2.1所示，其引脚描述如表2.1所列。
图2.1SJA1000内部结构
表2.1SJA1000引脚描述
引脚名称
引脚号
功能
AD7-AD0
2，1，28-23
地址/数据总线
ALE/AS
3
ALE输入信号（Intel模式），AS输入信号（Motorola模式）
4
片选输入
5
来自CPU的
信号（Intel模式）或
使能信号（Motorola模式）
6
信号
CLKOUT
7
SJA1000产生的时钟输出信号
VSS1
8
逻辑电路地
XTAL1
9
外部晶振输入
XTAL2
10
外部晶振输出
MODE
11
模式选择输入：
等于1，选择Intel模式；
等于0，选择Motorola模式
VDD3
12
输出驱动器的5V电源
TX0
13
连接到物理总线
TX1
14
VSS3
15
输出驱动的地
16
中断输出
17
复位输入；
将
引脚通过电容接VSS，通过电阻接VDD，可实现上电复位（C=1uF；
R=50k
）
VDD2
18
输入比较器的5V电源
RX0，RX1
19，20
VSS2
21
输入比较器地
VDD1
22
逻辑电路5V电源
注：
如果使用无源晶振，则XTAL1和XTAL2引脚必须通过15pF的电容连到VSS1。
2.2.1SJA1000内部功能模块说明
1.接口管理逻辑：
解释来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址，向主微控制器提供中断报文和状态报文。
2.发送缓存器：
发送缓存器是CPU和位流处理器之间的接口，能够存储发送到CAN总线上的完整报文。
发送缓存器长13字节，由CPU写入，位流处理器读出。
3.接收缓存器：
接收缓存器是接收过滤器我CPU之间的接口，用于存储从CAN总线上接收和采用的报文。
接收缓存器作为接收FIFO的一个窗口，可被CPU访问。
在此FIFO的支持下，CPU可以在处理报文的同时接受其他报文。
4.接收过滤器：
接收过滤器将接收到的标示符和接收过滤寄存器的内容进行比较，以决定是否接收该报文。
如果比较结果为真，则报文完整的存入接收缓存器中。
5.位流处理器：
位流处理器是一个序列发生器，控制发送缓存器、接收缓存器和CAN总线之间的数据流。
它还完成CAN总线上的错误检测、仲裁、填充和错误处理的功能。
6.位定时逻辑：
位定时逻辑监视串行的CAN总线和处理与总线有关的位定时。
它同步于帧起始的从隐性到显性电平的跳变（硬同步），并且在接收报文的过程中进行重同步（软同步）。
位定时逻辑还提供可编程的时间段用于补偿传播延时和相位变化，它还定义采样点和一位时间内的采用次数。
7.错误管理逻辑：
错误管理逻辑负责传送层模块的错误界定，接收来自位流处理器的出错报告，并通知位流处理器和接口管理逻辑当前的出错状态。
2.2.2SJA1000引脚图和工作模式
1.SJA1000引脚见图2.2。
实物图见图2.3。
图2.2SJA1000引脚图图2.3SJA1000实物图
2.SJA1000的工作模式
SJA1000有两种寄存器访问模式，即：
复位模式和工作模式。
不同模式下寄存器的访问时不同的。
工作模式通过又分为BasicCAN模式和PeliCAN模式，通过时钟分频寄存器中的CAN模式位来选择。
PeliCAN模式支持CAN2.0B协议规定的所有功能，SJA1000复位后，默认的模式是BasicCAN模式。
以后我们在进行SJA1000的软件编程时使用的是BasicCAN模式。
2.3SJA1000的寄存器
2.3.1寄存器表
SJA1000对于微控制器而言，表现为内存映射的I/O设备。
微控制器可以像操作外部RAM一样操作SJA1000片内的寄存器。
SJA1000的地址域由控制段和报文缓存器组成（见表2.5）。
控制段在初试化载入期间被设置，用于配置通信参数，同时微控制器通过这个段来控制CAN总线上的通信。
微控制器和SJA1000之间的状态、控制和命令信号的交换都在控制段中完成。
在初始化后，接收码寄存器、屏蔽码寄存器、总线定时寄存器0、总线定时寄存器1以及输出控制寄存器的内容不应再发生改变，因此这些寄存器只有在复位请求位（CR.0）被置1时，才可访问。
一个报文在发送之前必须写入发送缓存器；
反之，在成功接收一个报文后，微控制器从接收缓存器读取报文并释放此部分缓存，以备后用。
当硬件复位成功或微控制器脱离总线状态时，SJA1000会自动进入复位模式。
通过将控制寄存器的复位请求位置0，SJA1000讲进入工作模式。
BasicCAN模式下的SJA1000内部寄存器地址分配见表2.2。
表2.2BasicCAN模式下的SJA1000内部寄存器地址分配
偏移地址
名
称
工作模式
复位模式
读
写
控
制
段
控制
1
命令
2
状态
中断
接收码
接收屏蔽码
总线定时0
总线定时1
输出控制
测试
发
送
缓
冲
器
ID（10-3）
ID（10-3）
ID（2-0）RTR和数据长度
字节1
字节2
字节3
字节4
字节5
字节6
字节7
19
字节8
20
接
收
23
24
25
26
27
28
29
30
31
时钟分频寄存器
2.3.2BasicCAN模式下的寄存器说明
1.控制寄存器CR，地址：
0，其各位功能如表2.3所示。
表2.3控制寄存器各位说明
位
符号
名称
值
CR.7
保留
CR.6
CR.5
CR.4
OIE
溢出中断使能
如果SR.1置位，SJA1000会产生CPU可识别的硬件中断
SJA1000不会产生溢出中断
CR.3
EIE
出错中断使能
如果出错状态SR.6或总线状态SR.7改变，SJA1000产生硬件中断
SJA1000不会产生错误中断
CR.2
TIE
发送中断使能
当报文被成功发送或发送缓冲器又可访问时，SJA1000会产生中断
SJA1000不会产生发送中断
CR.1
RIE
接收中断使能
报文被无措接收时，SJA1000会产生CPU可识别的中断
SJA1000不会产生接收中断
CR.0
RR
复位请求
SJA1000终止当前正在发送/接收的报文，进入复位模式
SJA1000回到工作模式
2.命令寄存器CMR，地址：
1，其各位功能如表2.4所示。
表2.4命令寄存器各位说明
CMR.7
CMR.6
CMR.5
CMR.4
GTS
睡眠
如果没有未处理的CAN中断和总线活动，SJA1000进入睡眠模式
SJA1000从睡眠状态唤醒，正常工作
CMR.3
CDO
清除数据溢出
清除数据溢出状态位（SR.1）
无动作
CMR.2
RRB
释放接收缓冲器
释放RXFIFO报文存储空间中的接收缓冲器空间
CMR.1
AT
终止发送
如果一个发送请求尚未被处理，则被取消
CMR.0
TR
发送请求
报文被发送
3.状态寄存器SR，地址：
2，其各位功能如表2.5所示。
表2.5状态寄存器各位说明
SR.7
BS
总线状态
脱离总线
在线
SR.6
ES
出错状态
出错
无错
SR.5
TS
发送状态
正在发送报文
空闲
SR.4
RS
接收状态
正在接收报文
SR.3
TCS
发送完成状态
完成。
最近一次发送请求被成功处理
未完成。
当前发送请求未处理完成
SR.2
TBS
发送缓冲器状态
释放。
CPU可以向发送缓冲器写入报文
CPU不能访问发送缓冲器
SR.1
DOS
数据溢出状态
溢出。
报文因RXFIFO中没有足够的空间而丢失
正常
SR.0
RBS
接收缓冲器状态
在RXFIFO中至少有一条完整报文
无报文
4.中断寄存器IR，地址：
3，其各位功能如表2.6所示。
当中断寄存器的一位或多位被置位时，
引脚就被激活了。
寄存器被微控制器读过之后，所以位自动复位，即
引脚上的电平抬高，中断寄存器是只读存储器。
表2.6中断寄存器各位说明
IR.7
IR.6
IR.5
IR.4
WUI
唤醒中断
退出睡眠模式时此位被置1
升级会员 