基于C8051F040的以太網-CAN轉換電路設計

2 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)電路如圖3所示，由CP2200、C8051F040、CAN驅動芯片的SN65HVD230等組成。其中CP2200與HR911105A組成以太網電路部分，SN65H-VD230單個組成CAN收發(fā)電路。工作原理如下，當CP2200收到以太網數據時，觸發(fā)C8051F040的INTO，C8051F040把數據從CP2200的接收緩沖區(qū)拷貝到其內存空間，然后通過SN65HVD230轉發(fā)到CAN網絡；當CAN數據有要發(fā)送到以太網，C8051F040收到數據后，就向CP2200的發(fā)送緩沖區(qū)轉發(fā)數據，最后由CP2200通過HR911105A發(fā)到以太網。

2．1 以太網部分電路
CP2200通過HR9011105A連接到以太網上。HR9011105A是HanRun公司生產的集以太網隔離變壓器、RJ-45接口和指示燈為一體的網絡連接器。CP2200的收發(fā)信號分別連接到HR9011105A的收發(fā)針腳，同時前者的LED控制信號LINK、ACK也都接到后者相應針腳。其中，LINK是連接成功指示燈，ACK是數據傳輸指示燈。CP2200與C8051F040的連接，首先數據和地址總線、讀寫信號相連接，其次CP2200的中斷引腳INT與C8051-F040的INT0引腳連接在一起，其片選CS陣腳接C8051F040的A15腳。CP2200的發(fā)送緩沖區(qū)地址為0x0000～0x07FF，接收緩沖區(qū)地址前部分與發(fā)送緩沖器重合，具體地址為0x0000～0x0FFF。當A15為低電平(CS也為低)時，C8051F040就選中CP2200，即CP2200的內部地址空間0x0000～0x0 FFF的外部映射地址為0x8000～0x8FFF。
CP2200發(fā)送數據包：通過使用自動寫(AutoWrite)寄存器將數據裝載到發(fā)送緩沖區(qū)，并向內部存儲器TXGO寫1來發(fā)送數據包。一旦發(fā)送完成，會產生數據包已發(fā)送中斷，通知C8051F040。CP2200接收數據包：當MAC接收被使能且接收緩沖區(qū)未滿時，包接收會自動進行。一旦收到數據包，就會產生包接收中斷通知主機。主機可以用自動讀(AutoRead)接口讀取數據包。
2．2 CAN部分電路
C8051F040已經集成CAN控制器，電路只需1個CAN總線收發(fā)器。這里使用TI公司的SN65HVD230收發(fā)器。由于SN65HV230收發(fā)器具有強電磁干擾下寬共模電壓范圍的差動接收能力、交叉線保護、過熱保護、失地保護、過壓保護等卓越特性，所以設計中省去了高速光耦6N137以簡化電路設計，如果需要增強抗干擾能力，也可在C8051F040和SN65HV230之間增加2個高速光耦6N137，以滿足CAN的高速率通信。在CANH與CANL引腳各串聯1個5 Ω電阻與總線相連以起到限流作用。

3 軟件設計及協(xié)議轉換
在充分遵循以太網和CAN協(xié)議的基礎上，設計軟件程序，實現以太網數據與CAN數據之間的協(xié)議轉換與轉發(fā)。在本設計中，CAN與以太網都采用接收中斷，把數據包先存入緩沖區(qū)，然后進一步分析數據。在數據接收時，不允許接收新的數據和中斷，直到數據完全接收后，才將接收緩沖區(qū)釋放。在數據發(fā)送時，先確認發(fā)送緩沖區(qū)空閑才寫入數據。由于兩者都有內部的發(fā)送和接收緩沖區(qū)，主程序的主要任務就是實現數據的轉發(fā)以及通訊的握手協(xié)議。若定義，由CAN數據轉發(fā)為以太網數據，稱為上行通訊；由以太網數據轉發(fā)為CAN數據，稱為下行通訊。
相對于CAN總線的傳輸速率，本電路的以太網傳輸速率要高10倍，緩沖區(qū)大小也差很多。因此在下行通訊中，需要完成CAN數據的拆包和重新打包任務，屬較慢的操作，采用定時查詢方式發(fā)送。在上行通訊中，直接轉發(fā)CAN接收到CP2200發(fā)送緩沖區(qū)。
3．1 CAN總線程序
1)CAN總線發(fā)送任務 當以太網有新的數據轉發(fā)給CAN時，主程序通知此任務運行。讀出CP2200接收緩沖區(qū)中的數據到內存緩沖區(qū)，然后分成不大于8字節(jié)的數據包，增加CAN協(xié)議包頭，送入C8051F040的發(fā)送緩沖區(qū)。
此任務耗時最長。CAN發(fā)送任務收到主程序的運行通知，開始讀取CP2200的接收緩沖區(qū)數據到內存，然后采用查詢發(fā)送方式，把數發(fā)送到C8051F040的發(fā)送緩沖區(qū)。在查詢過程中，如果C8051F040正處于發(fā)送中，將任務等待10 ms，然后再查詢一次，直到發(fā)送成功。
2)CAN總線接收任務 當CAN有數據接收，則將數據直接送人CP2200的發(fā)送緩沖區(qū)，并通知其工作。此任務很少占用時間。在轉發(fā)過程中，由于CAN每次數據只有8字節(jié)，而CP2200的發(fā)送緩沖區(qū)有2 K，CP2200的發(fā)送不影響CAN的接收。所以CAN接收中斷只需在本程序將CAN數據送入CP2200的發(fā)送緩沖區(qū)后就可打開。
3．2 以太網程序模塊
以太網接口模塊主要實現CP2200的驅動函數，主要包括初始化函數、幀發(fā)送函數和幀接收函數。
1)CP2200的初始化模塊 CP2200的初始化是進行CP2200寄存器的配置。CP2200占用C8051F040的外部RAM的地址，外部存儲器接口(EMIF)被設置在高端口(端口47)，EMIFLE(XBR2·1)位被設置為0。然后依次進行下面的設置：配置端口引腳的輸出方式為推挽方式；配置對應EMIF引腳的端口鎖存器為休眠態(tài)，設置為邏輯‘1’；選擇地址線和數據線的非復用方式；選擇存儲器模式為不帶塊選擇的分片方式：設置與片外存儲器或外設接口的時序。初始化時按以下步驟進行：等待復位引腳電平升高；MCU通過中斷請求信號得到振蕩器是否完成初始化；MCU查詢INT0來確定CP2200自身的初始化是否完成；禁止那些主處理器不監(jiān)視或不處理的事件的中斷；初始化物理層；用IOPWR寄存器使能所需要的活動(Ack)、連接(Link)LED；初始化媒體訪問控制器(MAC)；配置接收過濾器。
2)以太網數據的發(fā)送接收模塊 C8051F040的外部中斷0和定時器0用于TCP／IP協(xié)議棧。由于C8051F040的處理速度、內部集成的資源有限，而TCP／IP協(xié)議種類繁多，不可能集成所有的TEP／IP協(xié)議，所以，使用裁剪后的TCP／IP協(xié)議。結合項目的實際需要，本設計中裁剪后的協(xié)議棧包括IP協(xié)議、ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議、TCP協(xié)議。由于TCP協(xié)議是基于連接的協(xié)議，在正式收發(fā)數據前，必須和對方經過3次對話，建立可靠的連接，而且當數據從A端傳到B端后，B端會發(fā)送一個確認包給A端，所以，TCP協(xié)議適用于對可靠性要求較高的數據通信系統(tǒng)。而UDP協(xié)議是面向非連接的協(xié)議，不與對方建立連接，直接就把數據包發(fā)送過去，當數據從A端傳到B端后，B端不會發(fā)送一個確認包給A端，此協(xié)議適用于對可靠性要求不高的通信系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)應用于在線數字識別系統(tǒng)，可靠性要求高，所以，該系統(tǒng)采用了TCP協(xié)議。

4 結束語
本文描述了一種CAN數據與以太網數據轉換器的設計原理與電路構成。創(chuàng)新點在于：電路設計使用高度集成化的網絡接口芯片CP2200和集成CAN控制器的C8051F040，在不降低效率的同時，有效地節(jié)省空間與資源。在遵循CAN與以太網協(xié)議的基礎上，通過通訊的握手協(xié)議和簡化的以太網協(xié)議，實現了以太網數據與CAN數據的轉發(fā)，順利地解決了以太網的高速性與CAN的低速率，以及兩者數據包之間的大小矛盾，能夠保證數據的完整和協(xié)議的可靠。本轉換器可廣泛應用于廠礦、油田等監(jiān)控設施的改進。