智能裝置CAN轉以太互連通信方案設計

目前，由于以太網的優勢在工業控制現場仍然很難完全發揮出來，而且實時性和抗干擾能力也不能適應工業自動化范圍中所有要求，所以最好的解決方案是將以太網同現場總線相結合，充分利用這兩種通信技術在各自領域中的優點。具體表現為在生產管理與監控層采用高速以太網技術，而在現場設備層采用現場總線技術。
1 系統結構
　　本系統間隔單元設備采用嵌入式工業以太網技術，從而使智能裝置真正成為工業以太網上獨立的節點，保證了智能單元設備和上位機系統通信快速、完全、可靠，為遠程管理智能裝置創造條件。通信接口卡(Master板)與上位機信息交換是建立在TCP/IP協議上的國際電力行業標準的IEC104規約，采用Server/Client通信服務模式，Master板作服務器可以支持多客戶同時登入。系統結構如圖1所示。

2 裝置內部結構設計
　　智能裝置內部各功能模塊采用高速現場總線CAN網絡相連，總線不出裝置，功能模塊之間的數據交互快速可靠。在組幀上采用HLON規約，并使用CAN 2.0B擴展模式，為了保持協議標準化，在HLON規約的基礎上封裝了IEC101規約。其內部結構如圖2所示。

3 硬件設計
　　通信接口卡使用雙處理器結構。一部分是使用Motorola公司DSP56F807芯片作為接口卡的CAN通信管理模塊；另一部分是使用Rabbit2000核的RCM2100集成卡作嵌入式網關和CAN到ETHERNET規約轉換模塊。通信接口卡硬件邏輯框圖如圖3所示。

　　通信接口卡采用主從工作方式，即DSP56F807作為主處理器，利用其自帶的MSCAN模塊負責管理CAN通信。DSP外擴64KBRAM，用于存儲數據。RABBIT2000作為從處理器，負責進行CAN到ETHERNET轉換，并負責管理裝置同后臺的以太網通信。RABBIT2000與DSP接口方式采用并行接口。板上還設有RS485、RS232接口，可以用于PC調試或與后臺連接。DSP56F807采用3.3V電源供電，RABBIT2000采用5V電源供電，經測試只要輸入電壓達到2.1V，RABBIT2000即認為高電平，DSP56F807輸出高電平在2.1V以上；DSP56F807 I/O可以接受5V信號，所以DSP與RABBIT2000可以直接相連，無須進行電平轉換。
　　(1)DSP56F807主處理器
　　DSP數據總線D0～D15地址總線A0～A15，外擴64KRAM存儲數據，、連接外擴RAM的讀、寫允許端，作為外擴RAM 片選信號。DSP的GPIOB口連接從處理器的SD0～SD7，GPIOD0、GPIOD1連接從處理器的SA0、SA1，GPIOD2、GPIOD3連接從處理器的寫、讀允許端()。一個中斷連接從處理器的，作為從處理器中斷申請。DSP的PWMB2連接MAX705的WDI作為外部硬件看門狗喂狗信號，PWMB4連接發光二極管作為DSP的運行指示燈。用DSP的兩個SCI模塊RXD0、TXD0、RXD1、TXD1做成標準RS-232、485接口。引出DSP的JTAG口用于調試，用DSP的MSCAN模塊和82C250作為CAN通信端口。通過DSP的SPI口與RABBIT2000同步串口B相連，作為另一種接口方式。DSP采用3.3V電源供電。

(2)RABBIT2000從處理器
　　該處理器使用內核為RABBIT2000的RCM2100集成卡。其SD0～SD7連接到DSP的GPIOB0-GPIOB7。SA1、SA0用來選擇從處理器接口的四個數據寄存器中的一個，連接到DSP的GPIOD1、GPIOD0。從芯片選擇管腳連接到DSP芯片的一個輸出端GPIOD4。連接到DSP的GPIOD3，如果為低，這根線被拉低使地址線所選擇的寄存器的內容被放置到總線上，連接到DSP的GPIOD2 ，這根線能夠將數據總線上的數據鎖存進入地址線所選擇的寄存器中。連接到DSP的一個中斷口，在它變低時向DSP申請中斷。如果從處理器寫SPD0R寄存器，這根線置為低電平，聲明從處理器中有可用的數據;如果主處理器寫從處理器狀態寄存器，這根線變為高電平。使用串口A作為編程口，串口B及CLKB作為同步串口和DSP的SPI口相連，組成另一種接口方案。使用PC2作為RABBIT2000運行指示燈，以太網模塊(RCM2100自帶RJ-45接口)引出通信指示燈。PE4、

4.2 協議轉換與以太網通信程序
　　嵌入式協議轉換程序的設計思路為：當有以太網應用層數據發送到現場智能裝置時，Rabbit把TCP數據報文解析出來后即發送給DSP處理，而當來自DSP的裝置內部數據要發往以太網應用層時則將其打包成TCP數據報文發送給目標TCP客戶端。該程序由Dynamic C開發環境開發。Dynamic C是Z-world 公司為其Rabbit系列產品開發的一種改進C語言開發系統。它提供豐富的函數庫，能實現Socket級別的TCP/IP編程，并支持各種網絡協議(如Http，Ftp等)。調用“dcrtcp.lib”，定義數據類型為tcp_Socket的變量，建立TCP套接字，利用其特殊的協語句(CoState)，可以實現在單一程序中實現多線程，同時建立與處理多個TCP連接，支持多客戶端同時登入。
4.3 上位機應用層TCP/IP客戶端程序
　　后臺接口軟件具有后臺監控軟件的中轉代理和智能裝置定值下載、報文監視，以及PC調試等功能。后臺接口軟件使用Delphi 6.0快速開發環境(RAD)開發。利用其自帶的TClientSocket組件建立TCP客戶端，TClientSocket組件封裝了Socket套接字，只要將組件Active屬性設置為True,那么它就會自動不斷嘗試連接指定IP地址與端口(IEC60870-5-104指定端口為2404)的TCP服務器。TClientSocket組件自帶的TNMUDP組件與其他應用程序(如后臺監控軟件)通信；開放原代碼的tmsAdvstring第三方組件包實現報表的生成與打印。
　　本文提出的基于雙處理器的CAN總線與以太網互連方案是一種高性能、可靠快捷的互連方案，已經在局地網成功應用于智能裝置中，滿足水電站、變電站等工業場合的應用要求。該互連方案使智能裝置與上位機系統有更深層次的互連，為遠程管理智能設備創造條件，具有非常廣闊的應用前景。