UDP轉(zhuǎn)CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)開發(fā)

王慶賀，吳文杰，樊兵團(tuán)，何 威

（中科芯集成電路有限公司，江蘇 無錫 214072）

1 引言

CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有實(shí)時(shí)性、可靠性高和靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在無法直接連接網(wǎng)絡(luò)的局限性[1]。以太網(wǎng)技術(shù)是目前使用廣泛的通信技術(shù)之一，具有組網(wǎng)靈活、成本低廉、傳輸速率高、距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)[2]。目前，某生產(chǎn)車間新的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備基本支持以太網(wǎng)通信，但是部分舊的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備僅支持CAN 通信，為了讓舊的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備也可以并入網(wǎng)絡(luò)，必須開發(fā)設(shè)計(jì)可以溝通以太網(wǎng)和CAN 總線的設(shè)備。本文以以太網(wǎng)和CAN 總線之間的數(shù)據(jù)傳輸為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于UDP 和CAN 協(xié)議的傳輸系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)概述

基于UDP 和CAN 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)中，DSP28335 作為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的主控制器，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和CAN 通信間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。DSP28335 通過數(shù)字隔離器、CAN 收發(fā)器與CAN 總線相連，通過W5300 以太網(wǎng)控制器連接到以太網(wǎng)，進(jìn)而和生產(chǎn)車間監(jiān)控平臺(tái)通信。DSP 與存儲(chǔ)芯片通過SPI 接口相連，存儲(chǔ)芯片用于存儲(chǔ)配置參數(shù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì)

W5300 集成了10/100M 以太網(wǎng)控制器，具有MAC 和TCP/IP 協(xié)議棧，數(shù)據(jù)傳輸速率高，可以達(dá)到50 Mbps，DSP28335 和W5300 使用總線接口，數(shù)據(jù)總線可以是8 位也可以是16 位。W5300 芯片方便、可靠、使用廣泛。DSP28335和W5300 的連接如圖2所示。

圖2 DSP28335 和W5300 的連接示意圖

3.2 CAN 接口硬件電路設(shè)計(jì)

DSP28335 具有增強(qiáng)型控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（eCAN）模塊，兼容CAN2.0 標(biāo)準(zhǔn)。eCAN 模塊包括CAN 協(xié)議內(nèi)核和消息控制器兩部分。

eCAN 具有以下一些特性：兼容CAN2.0B 協(xié)議，支持1 Mbit/s 的速率，32 個(gè)郵箱可用，低功耗模式，自動(dòng)重傳，支持4 種不同類型的幀。基于DSP28335 的CAN 節(jié)點(diǎn)接口硬件電路如圖3所示，僅使用了A 路eCAN。

如圖3所示，DSP28335 的CANTXA 和CANTXB 引腳首先經(jīng)過數(shù)字隔離器，然后和CAN 收發(fā)器的TXD 和RXD相連，轉(zhuǎn)換成CANH 和CANL 后與CAN 總線進(jìn)行通信。HCPL-9031 是一款雙通道數(shù)字隔離器，具有良好的性能，滿足 CAN 通信要求。本系統(tǒng)的 CAN 收發(fā)器選用的是TJA1050T，該芯片是CAN 協(xié)議控制器與CAN 物理總線之間的轉(zhuǎn)換接口，提供差動(dòng)發(fā)送、差動(dòng)接收功能。實(shí)際工作現(xiàn)場的情況十分復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)之間會(huì)有共模電壓的產(chǎn)生，CAN接口本身是差分傳輸方式，一定程度上可以抑制共模干擾，但是當(dāng)共模電壓過大時(shí)，CAN 接口電路就無法正常工作了，芯片也可能被損壞。設(shè)計(jì)時(shí)，在CAN 總線的CANH 和CANL之間添加了一路TVS 管，CANH、CANL 和CAN-GND 之間也各添加了一路TVS 管，保護(hù)接口電路不被過高瞬間電壓擊毀。CANH、CANL 和CAN-GND 之間并聯(lián)了22 pF 的電容，用來濾除CAN 總線上的高頻干擾，防止產(chǎn)生電磁輻射。CANH 和CANL 信號(hào)線采用差分布線，長度必須保持一致。CANH 和CANL 之間必須連接一個(gè)120 Ω 的匹配電阻，否則CAN 通信的抗干擾性和可靠性會(huì)大大降低，甚至有可能無法正常通信。HCPL-9031 和TJA1050T 等芯片的電源與地之間并聯(lián)了0.1 uF 的去耦合電容，用來降低干擾。

圖3 基于DSP28335 的CAN 節(jié)點(diǎn)接口硬件電路

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

4.1 網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信使用的是UDP 協(xié)議，UDP 協(xié)議是一種無連接的傳輸協(xié)議，發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)并不會(huì)管接收方是否存在，同樣的，接收方接收到數(shù)據(jù)時(shí)，也不會(huì)將接收到數(shù)據(jù)的情況回饋給發(fā)送方；但UDP 協(xié)議通信效率高、耗費(fèi)資源小，可以一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一或者多對(duì)多發(fā)送，十分靈活[3-4]。

DSP 的程序中向目標(biāo)地址發(fā)送數(shù)據(jù)使用sendto（s，buf，len，destip，destport）函數(shù)，接收數(shù)據(jù)使用loopback_udp（s，lport，buf，mode）函數(shù)。無論UDP 發(fā)送還是接收數(shù)據(jù)都是在程序的主循環(huán)中實(shí)現(xiàn)，未使用中斷。下文會(huì)詳細(xì)敘述以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和CAN 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

4.2 CAN 通信收發(fā)程序設(shè)計(jì)

CAN 通信過程中使用了eCAN 模塊的兩個(gè)消息郵箱，一個(gè)用于向CAN 總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)用于從CAN 總線上接收數(shù)據(jù)，分別是發(fā)送消息郵箱和接收消息郵箱。

數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN 總線上的過程如下：在主程序中接收網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的UDP 數(shù)據(jù)包，將UDP 數(shù)據(jù)包解析成一個(gè)或者多個(gè)CAN 數(shù)據(jù)幀，并通過發(fā)送消息郵箱發(fā)送到CAN 總線上，具體過程如圖4（a）所示。從CAN 總線上接收數(shù)據(jù)使用中斷的方式，當(dāng)eCAN 的接收消息郵箱接收到數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)觸發(fā)中斷，在中斷服務(wù)程序中將接收消息郵箱中的數(shù)據(jù)存放至CAN 接收緩沖區(qū)中。將CAN 接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)的過程在主循環(huán)中實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的流程如圖4（b）所示。需要注意的是，在從CAN 接收緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)時(shí)，必須關(guān)閉中斷，防止在取數(shù)據(jù)的期間進(jìn)入CAN 接收中斷服務(wù)程序更改CAN 接收緩沖區(qū)而引起混亂。將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的過程中，需要將CAN 類型的數(shù)據(jù)打包發(fā)送至以太網(wǎng)上，發(fā)送的UDP 數(shù)據(jù)包的長度都是12 的倍數(shù)，UDP 數(shù)據(jù)包的格式如圖5所示，其中CAN 幀地址占據(jù)4 字節(jié)（無論標(biāo)準(zhǔn)幀還是擴(kuò)展幀），CAN 數(shù)據(jù)占據(jù)了8 字節(jié)。

圖4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程圖

圖5 UDP 數(shù)據(jù)包格式

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)試系統(tǒng)的功能，編寫了測(cè)試上位機(jī)軟件，測(cè)試上位機(jī)使用UDP 通信，可以發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以將接收到的UDP數(shù)據(jù)包解析成一幀幀CAN 數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)使用兩個(gè)基于UDP和CAN 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，兩者CAN 總線互連，分別通過網(wǎng)絡(luò)連接兩個(gè)測(cè)試上位機(jī)軟件。一個(gè)測(cè)試上位機(jī)軟件發(fā)送數(shù)據(jù)，另一個(gè)測(cè)試上位機(jī)軟件接收數(shù)據(jù)。

上位機(jī)軟件顯示接收的CAN 數(shù)據(jù)如圖6所示。通過對(duì)比發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，兩者相同。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于UDP 和CAN 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)所需功能。

圖6 上位機(jī)軟件顯示接收的CAN 數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

本文以以太網(wǎng)和CAN 總線之間的數(shù)據(jù)傳輸為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于以太網(wǎng)和CAN 總線的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和CAN 總線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，滿足生產(chǎn)車間通信的要求。