CAN總線嵌入式透明網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)_圖文_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、第卷第期廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)年月瓷刪文章編號(hào)()總線嵌入式透明網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)唐安瓊,劉勝永,(廣西工學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系。廣西柳州;廣西工學(xué)院工程訓(xùn)練中心,廣西柳州;合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽合肥)摘要:系統(tǒng)研究了總線與以太網(wǎng)互連的技術(shù)要點(diǎn),分析了互連技術(shù)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的難點(diǎn)協(xié)議轉(zhuǎn)換。提出了一種總線與以太網(wǎng)系統(tǒng)互連設(shè)計(jì)方案,并闡述了其系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)采用了高速微控制器來(lái)設(shè)計(jì)嵌入式透明網(wǎng)關(guān),以較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理能力保證了整個(gè)系統(tǒng)性能的提升。關(guān)鍵詞:;網(wǎng)關(guān);嵌入式;(高速微控制器)中圖分類號(hào):皿文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:引言現(xiàn)場(chǎng)總線是用于生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)的最底層通信網(wǎng)絡(luò),它實(shí)現(xiàn)了微機(jī)化的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制儀器或設(shè)備

2、之間的雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信?,F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的關(guān)鍵是使自動(dòng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具備通信能力,將它們連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),它具有開(kāi)放統(tǒng)一的通信協(xié)議??偩€就是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中形成的一個(gè)成熟技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它的協(xié)議建立在模型基礎(chǔ)之上,但只采用了該模型底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層。總線具有如下主要特征:多主站依據(jù)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問(wèn),無(wú)破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的仲裁,借助接受濾波的多地址幀傳送,遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求,配置靈活,錯(cuò)誤檢測(cè)和出錯(cuò)信令,可尋址節(jié)點(diǎn)等。卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì),特別適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互連,受到工業(yè)界的高度重視。而目前大多數(shù)嵌入式

3、系統(tǒng)還處于單獨(dú)應(yīng)用的階段,以為核心,與一些監(jiān)測(cè)、伺服、指示設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)一定的功能。在一些工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用中,為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)之間的信息交流,利用、等總線將組網(wǎng),但這種網(wǎng)絡(luò)的有效半徑比較有限,有關(guān)的通信協(xié)議也比較少,而且一般是孤立于以外的。己成為社會(huì)重要的基礎(chǔ)信息設(shè)施之一,如果嵌入式系統(tǒng)能夠連接到上面,則可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上任何一個(gè)地方??梢灶A(yù)言,嵌入式設(shè)備與的結(jié)合代表著嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的真正未來(lái)。協(xié)議分析是遵從模型,按照基準(zhǔn)模型,結(jié)構(gòu)劃分為兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。按照和標(biāo)準(zhǔn),數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為:邏輯鏈路控制()物理層又劃分為:媒體訪問(wèn)控制(),物理信令(),物理媒體附屬裝置(

4、),媒體相關(guān)接口(加)子層運(yùn)行借助稱之為“故障界定實(shí)體()”的管理實(shí)體進(jìn)行監(jiān)控。故障界定是使判別短暫干擾和永久性故障成為可能的一種自檢機(jī)制。物理層可借助檢測(cè)和管理物理媒體故障實(shí)體進(jìn)行監(jiān)控(例如總線短路或中斷??偩€故障管理)。和兩個(gè)同等的協(xié)議實(shí)體通過(guò)交換幀或協(xié)議數(shù)據(jù)單元(卜收稿日期:一基金項(xiàng)目:廣西工學(xué)院青年科學(xué)基金(院青)資助。作者簡(jiǎn)介:唐安瓊(一),女,四川安岳人廣西工學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系教師。廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)第卷)相互通信怛子層提供的功能包括:幀接收濾波、超載通告和恢復(fù)管理。其中,超載通告功能是如果接收器內(nèi)部條件要求延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀,則通過(guò)子層開(kāi)始發(fā)送超載幀,最多可產(chǎn)生兩個(gè)超載幀,以延遲

5、下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀。按照網(wǎng)絡(luò)的七層模型來(lái)看,總線網(wǎng)絡(luò)完成了最下面兩層協(xié)議的工作,即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,它們由控制器的硬件實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和幀的封裝。在實(shí)際應(yīng)用中,還需要建立自己的上層協(xié)議。這里設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的“命令項(xiàng)數(shù)據(jù)項(xiàng)”結(jié)構(gòu),其完整數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖所示??紤]到工業(yè)控制中,功能一般不多,因此命令項(xiàng)的長(zhǎng)度設(shè)定為(可以描述種命令)。在數(shù)據(jù)項(xiàng)里設(shè)置數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是考慮到總線是短幀傳送(數(shù)據(jù)幀,每幀數(shù)據(jù)只有丫),有的命令所需的數(shù)據(jù)參數(shù)可能大于,同時(shí)很有可能返回的數(shù)據(jù)也較大,所以,這里設(shè)置一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度項(xiàng),就可使用戶定義數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度達(dá)到字節(jié)。透明網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)圖應(yīng)用層幀結(jié)構(gòu)總線各設(shè)備間可以自主相互通信,實(shí)現(xiàn)

6、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。但設(shè)備信息層無(wú)法直接到達(dá)信息管理層,要想設(shè)備信息進(jìn)入信息管理層就要通過(guò)一種數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。這里設(shè)計(jì)了一個(gè)網(wǎng)關(guān)用于總線與以太網(wǎng)的互連。系統(tǒng)總體分為三部分:現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)),嵌入式透明網(wǎng)關(guān),以太網(wǎng)信息管理終端(如監(jiān)控平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)等),結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。以太網(wǎng)信息管理終端與總線上的節(jié)點(diǎn)通過(guò),網(wǎng)關(guān),默相互通信,其中網(wǎng)關(guān)起到核心的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連作用】。協(xié)議轉(zhuǎn)換是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連的技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn),協(xié)議轉(zhuǎn)換一般可采用分層轉(zhuǎn)換的方法,自低向上逐層進(jìn)行。目前互連大都是在網(wǎng)際層或網(wǎng)絡(luò)層展開(kāi)的,因而必須對(duì)互連層以下各層協(xié)議逐層向上轉(zhuǎn)換,這種轉(zhuǎn)換方法的依據(jù)是協(xié)議分層的基本原理:即低層支持高層,高層調(diào)用

7、低層,低層斷開(kāi)連接后,高層連接也隨之?dāng)嚅_(kāi),但高層斷開(kāi)連接卻不會(huì)影響低層。從網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)上來(lái)看,設(shè)計(jì)的互連系統(tǒng)具有分層結(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)上運(yùn)行圖嵌入式透明網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖協(xié)議,它具有應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層;總線具有應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層,其中應(yīng)用層由用戶自己定義,數(shù)據(jù)鏈路層和物理層由協(xié)議所定義;數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)具有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層,其應(yīng)用層也就是與的信息數(shù)據(jù)交換層,微控制器在此層相互解釋并轉(zhuǎn)發(fā)這兩種不同協(xié)議的數(shù)據(jù)舊。在本設(shè)計(jì)中,網(wǎng)關(guān)被設(shè)計(jì)成了一個(gè)透明數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。也就是在以太網(wǎng)應(yīng)用層構(gòu)建和解析完整的協(xié)議數(shù)據(jù)包,協(xié)議數(shù)據(jù)包作為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸,它對(duì)通信數(shù)據(jù)的具體實(shí)際意義不

8、做任何解釋。之所以把數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)成透明式,是基于以下三個(gè)方面的考慮:透明式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)相對(duì)不透明網(wǎng)關(guān)來(lái)說(shuō)較簡(jiǎn)單,在硬件上無(wú)須擴(kuò)展大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于緩存通信數(shù)據(jù)。軟件上也不用考慮數(shù)據(jù)的聚集和分發(fā)處理,降低了程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、提高了通信的速度和實(shí)時(shí)性。透明式網(wǎng)關(guān)的適應(yīng)性強(qiáng),它可以應(yīng)用于不同的項(xiàng)目要求,而不透明網(wǎng)關(guān)則要根據(jù)不同要求對(duì)網(wǎng)關(guān)程序作出不同的修改。因?yàn)閰f(xié)議轉(zhuǎn)第期唐安瓊等:總線嵌入式透明網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)換設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,沒(méi)有較多復(fù)雜情況處理,從而提高了通信的可靠性??偩€網(wǎng)絡(luò)的最大通信速率為,而以太網(wǎng)現(xiàn)在一般為這里就需考慮兩者之間的速度匹配問(wèn)題,可以從兩個(gè)方面解決這個(gè)問(wèn)題:一是在網(wǎng)關(guān)上使用較大的,用來(lái)作為通

9、信數(shù)據(jù)緩沖器,提高網(wǎng)路傳輸?shù)男剩皇窍拗埔蕴W(wǎng)向總線傳輸數(shù)據(jù)的速率,使它小于總線的通信速率。關(guān)于協(xié)議棧的設(shè)計(jì)協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的動(dòng)態(tài)映射。以太網(wǎng)接口支持一個(gè)唯一的的物理地址。在中,協(xié)議是通過(guò)一個(gè)“地址對(duì)應(yīng)以太網(wǎng)地址”的單登記實(shí)現(xiàn)。當(dāng)遠(yuǎn)程主機(jī)需要知道它的物理地址時(shí),遠(yuǎn)程主機(jī)會(huì)向它發(fā)送請(qǐng)求,這時(shí)它就會(huì)響應(yīng)這個(gè)遠(yuǎn)程主機(jī)的請(qǐng)求,告訴對(duì)方自己的物理地址。當(dāng)然,當(dāng)應(yīng)用層需要傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)。協(xié)議也可以請(qǐng)求遠(yuǎn)程目的物理地址。要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包在以太網(wǎng)控制器的發(fā)送緩沖區(qū)中被構(gòu)建,它使用最近接收到的數(shù)據(jù)包的目的以太網(wǎng)地址作為發(fā)送數(shù)據(jù)包的目的地址。當(dāng)然。這可能不是正確的以太網(wǎng)地址,因此,在實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)包之前,

10、協(xié)議將檢查發(fā)送數(shù)據(jù)包中的地址是否存在于核中,如果發(fā)送數(shù)據(jù)包中的地址在這個(gè)核中,在以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包將使用趾心核中的以太網(wǎng)地址更新,如果不在,則吣心協(xié)議將發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求包,然后等待一個(gè)應(yīng)答。一旦這個(gè)應(yīng)答接收到,這個(gè)核將使用剛接收到的目標(biāo)以太網(wǎng)地址更新,接著,等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包也將使用這個(gè)以太網(wǎng)地址更新,然后被發(fā)送出去。如果發(fā)送的請(qǐng)求包沒(méi)有應(yīng)答,導(dǎo)致定時(shí)器超時(shí),這是等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包將被廢棄,正常的協(xié)議棧繼續(xù)運(yùn)行。是協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。所有的、及數(shù)據(jù)都以數(shù)據(jù)包格式傳輸。提供不可靠、無(wú)連接的數(shù)據(jù)包傳送服務(wù)。不可靠的意思是它不能保證數(shù)據(jù)包能成功地到達(dá)目的地。如果發(fā)生某種錯(cuò)誤時(shí),如某個(gè)路由器暫時(shí)用

11、完了緩沖區(qū),有一個(gè)簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤處理算法:丟棄該數(shù)據(jù)包,然后發(fā)送消息包給信源端。任何要求的可靠性必須由上層來(lái)提供。無(wú)連接的意思是并不維護(hù)任何關(guān)于后續(xù)數(shù)據(jù)包的狀態(tài)信息,每個(gè)數(shù)據(jù)包的處理是相互獨(dú)立的。這也說(shuō)明,數(shù)據(jù)包可以不按發(fā)送順序接收。在本設(shè)計(jì)中,協(xié)議是針對(duì)特殊的應(yīng)用環(huán)境下的合理簡(jiǎn)化??偩€的控制網(wǎng)絡(luò)是一種短幀、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò),所以,數(shù)據(jù)包無(wú)須分片(),同時(shí),設(shè)置服務(wù)類型為一般類型,其頭長(zhǎng)為字節(jié),首部長(zhǎng)度字段為,壽命設(shè)置為“向應(yīng)用層提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務(wù)。面向連接意味著兩個(gè)使用的應(yīng)用在彼此交換數(shù)據(jù)之前必須先建立一個(gè)連接。在面向工業(yè)控制上的應(yīng)用時(shí),可以對(duì)復(fù)雜的協(xié)議做合理的簡(jiǎn)化,因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)傳輸速度較

12、快,數(shù)據(jù)量小且的以太網(wǎng)傳輸一般不會(huì)發(fā)生阻塞,以太網(wǎng)上的主機(jī)也會(huì)有足夠的能力及時(shí)處理通信數(shù)據(jù)。所以可以固定超時(shí)與重傳的時(shí)間為,此外上有兩個(gè)字節(jié)的接收緩沖區(qū),且網(wǎng)絡(luò)為控制網(wǎng),信息量小,所以可以固定接受窗口為字節(jié),還有設(shè)計(jì)中采用一般的服務(wù)就可以滿足應(yīng)用,所以可以忽略緊急指針和選項(xiàng)和填充字段的值【】。通過(guò)上述的三點(diǎn)簡(jiǎn)化,實(shí)際上大大簡(jiǎn)化了協(xié)議的實(shí)現(xiàn),因?yàn)榈某瑫r(shí)與重傳的時(shí)間的確定和窗口大小的控制,有著較復(fù)雜的算法和實(shí)現(xiàn)機(jī)制。結(jié)束語(yǔ)工業(yè)控制自動(dòng)化的發(fā)展促使了現(xiàn)場(chǎng)總線的迅速發(fā)展,現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)與因特網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)相連,使自動(dòng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備成為企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。并且具有系統(tǒng)的高度開(kāi)放,互操作性強(qiáng),現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)總線與以太網(wǎng)互連系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)異類網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信,不過(guò)在通信的安全性和兼容性方面設(shè)計(jì)中考慮得不是很多,因此今后在系統(tǒng)改進(jìn)時(shí)可在這兩方面加強(qiáng)。(下轉(zhuǎn)第頁(yè))廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)第卷:,邢田坦,屯(),():;(責(zé)任編輯賴君榮)爭(zhēng)奪扣啼啼寸崢啼扣畸啼一啼一啼啼一啼啼爭(zhēng)啼一啼辱啼一啼和寺一崢爭(zhēng)奪爭(zhēng)爭(zhēng)扣

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