CAN总线与Internet集成的嵌入式DSP解决方案

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3.0 侯斌 2025-01-09 5 4 6.91MB 94 页 15积分
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摘要
现场总线是测量与控制方面的研究热点之一，被誉为自动化领域的计算机局
域网。CAN 总线属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制
的串行通信网络。由于其可靠性好、实时性高，被广泛应用于汽车、航空、工厂
等领域。如今随着计算机网络的发展，工业控制的发展方向也从原先的信息孤岛
或局部总线向互联网方向发展。因此，如何把计算机网络，特别是以太网应用到
工业控制领域，已经引起人们的广泛关注。如果把 CAN 总线和以太网互联，就
能把两者的优点结合起来，扬长避短，就能大大提高控制系统的分布式特性，并
将监控范围扩展到更广的空间，进一步推进控制技术向网络化、分散化和开放化
发展。
本文以嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ为软件平台，在分析、研究了 CAN 总线和
嵌入式 TCP/IP 协议栈 LwIP 的基础上，从应用出发，提出了远程监控系统模型，
并实际完成了应用模型的搭建和软硬件的设计。
根据研究目的，以 DSP 处理器为核心，设计了一套基于 CAN 总线和以太网
的嵌入式网关。依据 CAN 总线原理和数据传输机制，设计了该研究工作所需要
的CAN 智能节点，完成了软硬件设计，并组建了 CAN 网络。通过分析μC/OS-Ⅱ
操作系统内核的运行机制、功能组成，完成了其在目标板上的移植；在μC/OS-Ⅱ
基础上，实现了 TCP/IP 协议栈 LwIP。设计了 CAN-TCP/IP 应用程序，测试了 CAN
数据和以太网数据双向传输的稳定性。编写了 PC-Windows 下的客户端程序，并
利用 VB 完成了系统上位机控制界面设计。
经过实验测试，开发的系统具备较好的易用性和稳定性，实现了以太网和
CAN 网络信息双向传递功能。
关键词：CAN 嵌入式系统 μC/OS-ⅡTCP/IP LwIP
ABSTRACT
Fieldbus now is one of the development hot spots in automation field，and it is
named the computer LAN of this field. CAN as one fieldbus is a kind of serial
communication net, which can effectively support distributed control or real-time
control. It was been widely used in automotive, aviation, and industrial device, etc,
because it is good at reliability and real-time ability. Now while the computer network
is rapidly expanding, industry control is changing from the isolated information
components or partly networks to internet systems. So, how to use the computer
network, especially to use Ethernet in industrial control area, has become a hot
question. Thus, if we connect the CAN net to the Ethernet, the advantage of each
network could be compounded, and then the distributing characteristic of control
system would be increased much, the monitoring range also could be greatly extended,
moreover, further promote the development of control system to networking and
decentralization.
Using embedded operation system μC/OS-Ⅱas the software foundation, based on
the analysis and study of CAN communication protocol and LwIP, the essay propose
remote monitoring system model from actual application, accomplishes building of the
model , hardware and software design.
At first, according to the purpose of study, an embedded system based on CAN
and Ethernet is developed on the core of DSP processor.Second, according to the
principle and the data transmission mechanism of CAN bus, succeed to design the
CAN intelligent nodes (including software and hardware design) which is necessary in
my research subject, and complete the CAN network.Third, according to analyzing the
operating mechanism and inside constitution of μC/OS-Ⅱ, transplant the μC/OS-Ⅱ;
TCP/IP protocols LwIP is realized based on μC/OS-Ⅱoperation system. Then test the
steability of the bidirectional data transmission between the CAN net and Ethernet
after completion of CAN-TCP/IP server program.Finally, the client program based on
PC-Windows is given, and finished the interface for upper monitor controlling system,
which uses Visual Basic.
Through experiment test, the system gets good steability and usability, which
implements the functions of bidirectional data transmission between CAN net and
Ethernet.
Key Word：CAN , embedded system, μC/OS-Ⅱ,TCP/IP , LwIP
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ..........................................................1
§1.1 课题研究的背景和意义 ........................................ 1
§1.2 CAN-TCP/IP 系统的国内外发展现状 ............................. 2
§1.2.1 CAN 总线的发展 ........................................ 2
§1.2.2 嵌入式以太网技术的发展 ................................ 2
§1.3 本文的主要研究内容 ......................................... 3
第二章 嵌入式网关设计的关键技术基础 ..................................5
§2.1 CAN 总线技术 ................................................ 5
§2.1.1 CAN 协议的分层结构 .................................... 5
§2.1.2 CAN 报文的传输格式 .................................... 6
§2.1.3 CAN 总线的特点 ........................................ 8
§2.2 以太网技术 ................................................. 8
§2.2.1 以太网概述 ............................................ 8
§2.2.2 Ethernet V2 帧格式 .................................... 9
§2.3 嵌入式技术 ................................................ 10
§2.3.1 嵌入式系统概述 ....................................... 10
§2.3.2 嵌入式操作系统简介 ................................... 11
§2.4 嵌入式 TCP/IP 协议栈 LwIP ................................... 12
§2.4.1 TCP/IP 协议分层结构 .................................. 12
§2.4.2 LwIP 协议栈简介 ...................................... 13
§2.4.3 LwIP 协议栈分析 ...................................... 13
§2.4.4 LwIP 应用程序接口 .................................... 16
§2.5 本章小结 .................................................. 17
第三章 测控系统总体结构设计与具体设计方案 ...........................18
§3.1 测控系统总体结构设计 ...................................... 18
§3.1.1 测控系统总体架构 ..................................... 18
§3.1.2 测控系统结构的特点 ................................... 19
§3.2 测控系统设计方案 .......................................... 19
§3.2.1 CAN 网络子系统 ....................................... 19
§3.2.2 CAN-TCP/IP 协议转换主系统 ............................ 19
§3.2.3 上位机控制子系统 ..................................... 20
§3.3 本章小结 .................................................. 20
第四章 CAN 网络的组建 ............................................... 21
§4.1 CAN 网络的构成 ............................................. 21
§4.2 CAN 网络节点 ............................................... 22
§4.3 基于 89C51 单片机的 CAN 智能节点硬件电路设计 ................ 23
§4.3.1 主要器件介绍 ......................................... 24
§4.3.2 具体硬件电路设计 ..................................... 25
§4.4 CAN 智能节点的软件设计 ..................................... 26
§4.4.1 CAN 初始化程序 ....................................... 27
§4.4.2 数据发送和接收功能的实现 ............................. 28
§4.5 本章小结 .................................................. 31
第五章 CAN-TCP/IP 主系统的硬件设计与实现 ............................ 32
§5.1 DSP 处理器 TMS320F2812 简介 ................................. 32
§5.2 系统硬件设计总体框架 ...................................... 33
§5.3 DSP2812 外围电路设计与实现 ................................. 33
§5.3.1 时钟电路与复位电路 ................................... 33
§5.3.2 DSP 系统的电源 ....................................... 35
§5.3.3 JTAG 接口电路 ........................................ 36
§5.3.4 存储器电路 ........................................... 37
§5.4 CAN 总线接口模块的设计 ..................................... 38
§5.4.1 TMS320F2812 内嵌 eCAN 控制器的功能和特点 .............. 38
§5.4.2 CAN 接口电路的设计 ................................... 39
§5.5 以太网接口模块的设计 ....................................... 40
§5.5.1 以太网控制芯片简介 ................................... 40
§5.5.2 以太网接口电路的设计 ................................. 43
§5.6 硬件系统调试 .............................................. 44
§5.7 本章小结 .................................................. 45
第六章 CAN-TCP/IP 主系统的软件设计与实现 ............................ 46
§6.1 嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ的移植 ............................. 46
§6.1.1 μC/OS-Ⅱ操作系统移植的条件 .......................... 46
§6.1.2 μC/OS-Ⅱ操作系统移植的主要工作 ...................... 46
§6.1.3 OS_CPU.H 文件的修改 .................................. 47
§6.1.4 OS_CPU_C.C 文件的修改 ................................ 49
§6.1.5 OS_CPU_A.ASM 文件的修改 .............................. 51
§6.2 μC/OS-Ⅱ的测试 ........................................... 54
§6.3 软件系统体系结构 ........................................... 56
§6.4 LwIP 协议栈在µC/OS-Ⅱ上的实现 .............................. 57
§6.4.1 操作系统封装层的实现 ................................. 57
§6.4.2 LwIP 网络接口 ........................................ 63
§6.4.3 网络设备驱动程序的实现 ............................... 65
§6.5 主系统中 CAN 接口通讯程序设计 .............................. 67
§6.6 主系统总体软件设计 ........................................ 68
§6.6.1 主函数设计 ........................................... 68
§6.6.2 主任务设计 ........................................... 69
§6.6.3 协议转换任务设计 ..................................... 70
§6.7 本章小结 .................................................. 71
第七章 CAN-TCP/IP 主系统调试 ........................................ 72
§7.1 简单 HTTP 协议实现及 LwIP 协议栈的测试 ....................... 72
§7.1.1 HTTP1.0 简介 ......................................... 72
§7.1.2 简单 HTTP 协议的实现与测试 ............................ 73
§7.2 CAN 协议与以太网的转换测试 ................................. 76
§7.3 本章小结 .................................................. 77
第八章 上位机控制系统的设计 .........................................78
§8.1 上位机子系统总体结构 ...................................... 78
§8.2 通讯模块的网络通信程序设计 ................................ 78
§8.2.1 socket(套接字)简介 ................................... 79
§8.2.2 套接字编程原理 ....................................... 79
§8.2.3 通讯模块通信程序设计 ................................. 82
§8.3 本章小结 .................................................. 84
第九章 总结与展望 ...................................................85
附录 A 协议转换流程图 ............................................... 86
参考文献 ............................................................87
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................90
致谢 ................................................................91
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究的背景和意义
在当今电子通讯与自动化领域，工业设备联网已成为一种趋势。在以前的工
业设备中，单个设备的独立性较强，设备之间的依赖性较弱。而随着数字设备大
面积替代原有的模拟设备，伴随通信技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速
覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从车间、工厂、企业乃
至世界各地的市场。从工业控制领域来讲，由于现在工厂和生产在地域上越来越
分散，要总揽现场控制信息和生产状况，或要实现对分散在各工厂和生产线上的
控制网络进行状态监控及设备的诊断维护，就需要将控制网络与 Internet 结合。
工业控制网络在经过了集中式数字控制系统、集散控制系统[1](DCS)后，开始
进入到现场总线控制系统[1](FCS)。FCS 利用现场总线这个开放的和具有互操作性
的网络，将现场各控制器和仪表设备互连。而现场总线技术是当今自动化领域技
术发展的热点之一，其关键是把网络化、信息化的概念引入到控制领域中，构建
完整的控制网络和信息网络。随着现场总线技术的发展，已经出现了多种现场总
线技术走向成熟并得到逐步的推广应用。其中 CAN[3](Controller Area Network)总
线由于其数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性的特点，广泛应用于汽车
行业、机械工业、医疗器械及家用电器等诸多领域。但其远程通信能力薄弱，不
利于构成大型分布式系统，也不利于同其它现场总线网络和工厂级局域网进行信
息转换。
以太网技术[2]是目前应用较为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持，
具有成本低、稳定和可靠诸多优点。它以其应用的广泛性、技术的先进性和系统
的开放性,垄断了商用计算机的通信领域和过程控制领域的上层信息管理与通
信。但由于以太网采用了 CSMA/CD[5] (载波侦听多路访问/冲突检测)的介质访问
控制,可能会在网络上发生碰撞而产生拥塞,影响数据传输的实时性。另外以太网
抗干扰性能较差,适用于网络规模和数据传输量较大、数据帧较长的系统。
最近，嵌入式系统在国内被越来越多的提及，它在通信、电子、自动化等需
要实时处理的领域也曰益显现出其重要性。但目前大多数嵌入式系统还处于单独
应用的阶段，而工业上也只是利用孤立于 Internet 以外的的控制通信网络（如 CAN
等现场总线）实现 MCU 组网。如果把嵌入式技术与以太网技术结合起来，即嵌
入式以太网技术，使嵌入式系统连接到 Internet 上，就可以对联网的嵌入式系统
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