1 概述

在工廠、變電站、智能大廈等大型企業(yè)自動化系統(tǒng)中，如 圖1（a） 所示，在上層企業(yè)管理層和生產(chǎn) 監(jiān)控層采用的都是以太網(wǎng)和PC機(jī)，而在下層車間、現(xiàn)場都是采用現(xiàn)場總線（如RS-485、CAN、 lonWorks、基金會等）和單片機(jī)測控設(shè)備。上下兩層的溝通，通常采用工業(yè)控制機(jī)加以太網(wǎng)卡，再加 上PC機(jī)插槽上的接口卡或并行打印口的EPP接口卡來實(shí)現(xiàn)。這種連接方式成本高，開發(fā)周期長，接 口卡成為系統(tǒng)上下兩層的通信瓶頸，一旦出現(xiàn)故障，上下兩層的聯(lián)系就告中斷。為此，如 圖1（b） 所 示，我們利用廉價(jià)的“網(wǎng)絡(luò)通”組成基于單片機(jī)的以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān)取代昂貴的工控機(jī)加接口卡，成 功地實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)和現(xiàn)有CAN總線網(wǎng)的直接連接，實(shí)現(xiàn)管理監(jiān)控層（以太網(wǎng)）和生產(chǎn)測控層（CAN總 線網(wǎng)）之間的連接。上下層數(shù)據(jù)能方便地進(jìn)行交流。

圖1 兩種分布式自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較

更重要的一點(diǎn)在于，現(xiàn)在成熟、穩(wěn)定、廉價(jià)的以太網(wǎng)已經(jīng)普及深入到了工廠、車間、大樓等基層。在大型企業(yè)自動化系統(tǒng)中，沒有必要再采用現(xiàn)場總線和兩級結(jié)構(gòu)，可直接利用廉價(jià)的以太網(wǎng)接口模塊“網(wǎng)絡(luò)通”，將各種測控設(shè)備直接接入以太網(wǎng)，形成現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

2 以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān)的組成原理

在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，我們利用“網(wǎng)絡(luò)通”組成基于單片機(jī)的以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān)，結(jié)構(gòu)組成如 圖 2 所 示。“網(wǎng)絡(luò)通”由以太網(wǎng)接口A和微處理器組成。在此基礎(chǔ)上增加CAN接口B就組成了以太網(wǎng)-CAN 網(wǎng)關(guān)。

圖2 基于“網(wǎng)絡(luò)通”的以太-CAN 網(wǎng)關(guān)

（1） 以太網(wǎng)接口A

以太網(wǎng)接口A可選用符合IEEE802.3協(xié)議的10Base-T通用接口芯片，如 UM9003、RTL8019等，完成與以太網(wǎng)在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的連接。使用 RJ-45插口，可以直接掛接到以太網(wǎng)上。

（2） 微處理器

微處理器負(fù)責(zé)對以太網(wǎng)接口A芯片和CAN接口B芯片進(jìn)行控制。微處理器內(nèi)駐有 TCP/IP通信協(xié)議和CAN協(xié)議，完成以太網(wǎng)協(xié)議和CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)接口 A和接口B通信數(shù)據(jù)的透明傳輸。

由于CAN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，數(shù)據(jù)傳輸速率不高，遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，所以在以太網(wǎng) -CAN接口模塊中，數(shù)據(jù)的傳送瓶頸在CAN接口B。在測控領(lǐng)域，通常傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，對數(shù)據(jù)傳輸 速率要求也不高，于是，在此模塊中微處理器可選用通常的單片機(jī)如 8031等。

（3） CAN接口B

CAN接口B采用了飛利浦的CAN物理層和鏈路層接口芯片SJA1000和 PCA82C250。微處理器直接控制SJA1000的AD0～AD7、、、ALE、RST 和腳。SJA1000的MODEL腳接高電平，工作在Intel模式下;片選腳接地，始終處于選通狀態(tài)，如 圖 3 所示。微處理器對 SJA1000的操作主要是對寄存器的操作：一方面對SJA1000的模式寄存器 （MOD）、命令寄存器（CMR）、狀態(tài)寄存器（SR）、中斷寄存器（ IR）、中斷允許寄存器（IEP）、總線定時(shí)寄存器（BTR0、 BTR1）、輸出控制寄存器（OCR）、時(shí)鐘分頻計(jì)數(shù)器（CDR）進(jìn)行設(shè)置和檢測; 另一方面對收發(fā)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫，從而和CAN設(shè)備交換數(shù)據(jù)。

圖3 以太網(wǎng)-CAN 接口原理圖

圖 4 是微處理器對SJA1000進(jìn)行初始化、讀、寫的流程圖。微處理器將 以太網(wǎng)送來的命令通過向SJA1000寫，來傳送給CAN測控設(shè)備;反過來，又將向SJA1000讀取CAN 測控設(shè)備的測量值或狀態(tài)，通過以太網(wǎng)發(fā)送出去。

圖4 微處理器CAN接口原理圖

3 以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān)的主要特性

網(wǎng)絡(luò)分布式控制需要有開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的控制網(wǎng)絡(luò)，基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)分布式控制 系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用自動化系統(tǒng)說明了這點(diǎn)。使用以太網(wǎng)取代現(xiàn)場總線網(wǎng)不僅滿足這些需求，而且還有許多優(yōu)點(diǎn)。

① 不需要專門鋪設(shè)CAN通信網(wǎng)來進(jìn)行設(shè)備之間的信息傳送，而是利用廣為存在的、廉價(jià)的、標(biāo) 準(zhǔn)的以太網(wǎng)來進(jìn)行信息的傳送。組建這樣的測控網(wǎng)速度很快，理論上節(jié)點(diǎn)數(shù)沒有限，組網(wǎng)成本低， 維護(hù)也容易。

② 在數(shù)據(jù)傳送中，每臺測控設(shè)備的地址實(shí)際有“網(wǎng)絡(luò)通”的IP地址和CAN接口地址 兩部分組成。在以太網(wǎng)中，CAN接口測控設(shè)備的CAN地址和數(shù)據(jù)一起作為“網(wǎng)絡(luò)通”通信中IP包的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。

③ 具有多主多從的高通信容量的特點(diǎn);每幀有硬件CRC校驗(yàn)，可靠性高;通信報(bào)文 可大可小，效率很高;通信協(xié)議TCP/IP是全球統(tǒng)一的規(guī)范，容易連成不受地域限制的大控制網(wǎng)。

④ WWW（Word Wide Web）瀏覽器的人機(jī)界面友好易用，設(shè)備管理服務(wù)器一方面用瀏覽 器檢測和控制以太網(wǎng)上不同設(shè)備，另一方面使用WWW發(fā)布方式向網(wǎng)絡(luò)客戶提供動態(tài)交互式瀏覽網(wǎng)頁。很容易實(shí)現(xiàn)調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)或辦公自動化信息系統(tǒng)。

⑤ 由于通信數(shù)據(jù)包符合TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)，可以在Internet網(wǎng)上穿越交換機(jī)或路由器，遠(yuǎn)程上網(wǎng)客戶只要用WWW瀏覽器就可方便地查詢各個智能設(shè)備狀態(tài)和實(shí)時(shí)遙控各個智能設(shè)備。

4 以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān)接口模塊在自動測控系統(tǒng)的應(yīng)用

在我們設(shè)計(jì)改造的一個企業(yè)自控系統(tǒng)中，采用了圖 5 的方式。所有原有的CAN測控設(shè)備，有的是 通過以太-CAN接口模塊直接接到企業(yè)以太網(wǎng)上，有的是仍通過CAN總線網(wǎng)連接到以太網(wǎng)上;而新增加的設(shè)備則直接利用以太網(wǎng)接口模塊接到以太網(wǎng)上，不再需要專門鋪設(shè)CAN通信網(wǎng)來進(jìn)行設(shè)備之間的信息傳送。

圖5 基于以太網(wǎng)的分布式控制應(yīng)用系統(tǒng)框圖

在以太網(wǎng)上，所有的CAN測控節(jié)點(diǎn)組成一個虛擬網(wǎng)段。CAN設(shè)備管理服務(wù)器是企業(yè)以太網(wǎng)中的任一控制節(jié)點(diǎn)，連在以太網(wǎng)上的WIN NT服務(wù)器安裝專用網(wǎng)絡(luò)管理軟件就可讓合法的工程技術(shù)人員遠(yuǎn)程管理CAN設(shè)備，通過以太網(wǎng)可同CAN設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這樣以太網(wǎng)就可完全替代原來的CAN總線網(wǎng)，同時(shí)，服務(wù)器使用WEB發(fā)布方式向網(wǎng)絡(luò)客戶提供動態(tài)交互式瀏覽網(wǎng)頁。

結(jié)束語

隨著工業(yè)自動化和辦公自動化的發(fā)展，在一些場合，分布式控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)越來越龐大，現(xiàn)場總 線越來越受地域、鋪設(shè)成本、負(fù)載容量的限制。另一方面，靈活、方便，安全性、可靠性高的以太網(wǎng) 飛速發(fā)展和因特網(wǎng)的普及，寬帶網(wǎng)已深入家庭、辦公室、旅店、工廠與車間，使人們在生活與工作的 各個地點(diǎn)，都可通過互聯(lián)網(wǎng)來交換信息。在這種情況下，利用廉價(jià)的“網(wǎng)絡(luò)通”，利用互聯(lián)網(wǎng)取代現(xiàn)場總線，使原現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)方便地轉(zhuǎn)換成為基于以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)，將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。