李健偉

(新恒基(沈陽(yáng))置業(yè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110013)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸與反饋的安全性和及時(shí)性都有了更高的要求。CAN技術(shù)以其安全性和及時(shí)性首先被應(yīng)用于對(duì)于設(shè)備控制較高的汽車領(lǐng)域，并得到更廣泛的發(fā)展。以太網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)在以成熟的應(yīng)用于信息傳遞方向。將這兩種互聯(lián)技術(shù)相結(jié)合是滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)姆绞街?，下面我們就針?duì)CAN和以太網(wǎng)各自的特點(diǎn)及將其結(jié)合所用的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

1.CAN總線的特點(diǎn)

CAN(Controller Area Network)網(wǎng)絡(luò)稱為控制器局域網(wǎng)，是一種可以有效分布控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇并被制定成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它在可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，下面我們就對(duì)其特點(diǎn)做以簡(jiǎn)介。

1.1 CAN可多主控分ID進(jìn)行信息發(fā)送

CAN總線中可以存在多個(gè)主控的信息發(fā)送方式，在總線空閑時(shí)，所有單元都可以主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息，最先訪問總線的單元可以獲得發(fā)送權(quán)以進(jìn)行信息發(fā)送。在CAN協(xié)議中，會(huì)為每條發(fā)送的信息分配ID，這里的ID是Identifier是優(yōu)先級(jí)而非發(fā)送地址。

1.2 CAN的非破壞總線仲裁技術(shù)

CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)，當(dāng)有多個(gè)單元同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，發(fā)送優(yōu)先級(jí)高的ID獲得發(fā)送權(quán)繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)低的單元?jiǎng)t會(huì)主動(dòng)地退出發(fā)送。這可以減小總線沖突的仲裁時(shí)間，使得即使在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)像以太網(wǎng)那樣出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。

除此之外，CAN還具有檢錯(cuò)效果好、通訊介質(zhì)選擇靈活等優(yōu)點(diǎn)。

2.以太網(wǎng)的特點(diǎn)

以太網(wǎng)(Ethernet)是一種局域網(wǎng)技術(shù)，它一般使用同軸電纜或特種雙絞線為載體，并采用載波多路訪問和沖突檢測(cè)機(jī)制。它的傳輸速率可達(dá)10Mbps，并具備簡(jiǎn)單方便、價(jià)格低、速度高等特點(diǎn)，在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中被普遍使用，下面就將其特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.1 以太網(wǎng)應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)

(1)以太網(wǎng)的互聯(lián)性較強(qiáng)

以太網(wǎng)是全開放性的、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，這使得使用不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的不同廠商設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。在實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫拼接，便于企業(yè)組建管控一體化的網(wǎng)絡(luò)。[1]這種網(wǎng)絡(luò)一般采用TCP/IP協(xié)議并可通過Visual C++編寫用戶層程序。

(2)以太網(wǎng)具有較高的通信速率

隨著技術(shù)的進(jìn)步，10M/100M的快速以太網(wǎng)已經(jīng)有了很成熟的技術(shù)，1000M的以太網(wǎng)也趨于成熟，逐漸還會(huì)出現(xiàn)10G甚至更快速的以太網(wǎng)。這樣高速的數(shù)據(jù)傳輸方式為工業(yè)中有時(shí)需要的聲音、視頻資料的傳輸成為可能。

2.2 以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中的不足

(1)以太網(wǎng)的信息實(shí)時(shí)性有著明顯的不足

實(shí)時(shí)性是指工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)某事件發(fā)生時(shí)間的可測(cè)性，它要求在事件發(fā)生后系統(tǒng)做出的反應(yīng)必須在可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的時(shí)間內(nèi)。由于以太網(wǎng)是采用CSMA/CD的介質(zhì)訪問控制方式，其在出現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸時(shí)會(huì)平等競(jìng)爭(zhēng)總線，網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)有掉線的可能，這就導(dǎo)至了其數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆菍?shí)時(shí)性。

(2)以太網(wǎng)的可靠性存在局限

由于以太網(wǎng)是為辦公環(huán)境而設(shè)計(jì)的，所以當(dāng)用于工業(yè)環(huán)境的惡劣環(huán)境中，可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的線間干擾，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的崩潰和癱瘓，所以要想利用其優(yōu)勢(shì)還要解決其可靠性的問題。[2]

3.工業(yè)領(lǐng)域CAN總線與以太網(wǎng)互聯(lián)的技術(shù)

在這種新的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)不僅需要起到主干網(wǎng)絡(luò)的作用，還要實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)總線互換數(shù)據(jù)的功能。下面我們就從其原理和實(shí)現(xiàn)方法對(duì)這類網(wǎng)關(guān)加以介紹。

3.1 CAN總線與以太網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)的基本原理

CAN總線和以太網(wǎng)使用的是兩個(gè)通信協(xié)議，是結(jié)構(gòu)完全不同的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，因此對(duì)于Ethernet/CAN網(wǎng)關(guān)來(lái)說(shuō)，其工作實(shí)質(zhì)就是對(duì)信息重新封裝以使其可以相互讀取。[3]這就要求網(wǎng)關(guān)應(yīng)可運(yùn)行在OSI模型上。OSI模型是為異種計(jì)算機(jī)間的互聯(lián)提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)框架。OSI模型共有7層，且各層功能獨(dú)立，下一層所提供的功能為上一層服務(wù)，其層次由1層開始分別為:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層共7層。1～3層為底層，用以實(shí)現(xiàn)傳輸功能;4～7層為高層，用以通過網(wǎng)絡(luò)終端來(lái)實(shí)現(xiàn)通信處理功能。CAN和以太網(wǎng)都只支持OSI所定義的7層結(jié)構(gòu)中的一部分，故為其互聯(lián)提供了可能。

3.2 CAN總線與以太網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)CAN總線與以太網(wǎng)的互聯(lián)，較為常用的一種方法就是采用通用型微處理，同時(shí)配備一定的外圍電路來(lái)構(gòu)造硬件平臺(tái)通，通過在該平臺(tái)上運(yùn)行的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的功能。下面我們就分硬軟件來(lái)對(duì)其進(jìn)行介紹。

網(wǎng)關(guān)硬件方面，CAN總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層與CAN物理接口電路和CAN控制器相對(duì)應(yīng)。而以太網(wǎng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層與以太網(wǎng)控制器相對(duì)應(yīng)。其他部分由ARM處理器件中所運(yùn)行的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)關(guān)軟件方面，當(dāng)連接在CAN總線上的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向連接在以太網(wǎng)上的監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)先通過網(wǎng)關(guān)的CAN總線接口電路送到CAN控制器中。由CAN控制器向ARM處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求。當(dāng)ARM處理器正在執(zhí)行優(yōu)先級(jí)較高的任務(wù)時(shí)，數(shù)據(jù)就暫存于CAN控制器的緩存中，待處理器任務(wù)結(jié)束后，從緩存中將數(shù)據(jù)取出。通過管理協(xié)議層中所對(duì)應(yīng)程序的處理，為需要傳送的數(shù)據(jù)分別添加TCP/IP層所需的信息，由ARM處理器將處理過的數(shù)據(jù)封裝并發(fā)送給以太網(wǎng)控制芯，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)。

通過以上對(duì)CAN總線、以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用以及CAN與以太網(wǎng)的互聯(lián)技術(shù)的簡(jiǎn)要介紹和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，使得我們對(duì)工業(yè)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用有了初步的認(rèn)識(shí)，希望可以對(duì)初學(xué)者們?cè)贑AN總線與以太網(wǎng)技術(shù)的深入研究的道路上起到引導(dǎo)作用。

[1]陽(yáng)憲惠.《現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M]》.北京.清華大學(xué)出版社，1999

[2]徐皚冬，王宏，楊志家.《基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)[J]》.信息與控制，2000

[3]鄭建彬.《以太網(wǎng)和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)間的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)》.信息技術(shù)，2002