基于STM32的CAN总线与以太网的网关设计

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.94MB 52 页 15积分

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摘要

CAN 总线凭借其高实时性、高可靠性及灵活性在工业控制领域得到了广泛

的推广与应用，实现了现场设备间的网络互连，但不适合远距离传输，并未实现

跨地域网络连接。工业以太网拥有着高性能与良好的兼容性，适合远程传输与访

问远程控制系统，在工业控制网络中，特别是工业企业生产控制层、管理层中应

用也是日益广泛。在实际的生产应用中，CAN 总线更多的是用于车间底层智能

设备间的连接，而工业以太网更多的用于车间上层的管理与控制中，因为，若要

建立工业企业的综合网络信息化管理系统，需要把现场级别的生产控制网络与工

业企业上层的管理控制网络连接起来。本课题就是在这一背景下，致力于实现现

场CAN 总线网络与以太网的互联，实现这两种不同网络结构之间数据信息传输

与共享。

本文在深入研究分析了 CAN 总线网络协议和以太网网络协议技术基础之上，

利用高性能高性价比的互联型芯片 STM32 作为硬件开发平台，以具有实时性多

任务的 uC/OS-II 作为嵌入式操作系统软件开发平台，经过硬件设计与软件设计，

实现对 CAN 总线网络报文的实时发送与接收，对以太网中报文信息的实时的发

送与接收以及对 CAN总线报文与 TCP/IP协议的数据报文的有效实时的协议转换，

从而实现现场 CAN 总线网络与以太网之间的互联，使得 PC 机端用户可以对现

场CAN 总线网络中任一个 CAN 节点进行访问与控制。

在CAN-Ethernet 互联系统的研究设计过程中，对 CAN 总线网络协议与以太

网协议做了深入的研究，深入分析了 TCP/IP 协议与 CAN 总线协议的层次结构、

传输机制、帧信息结构等，并以高性能的 STM32 作为处理器，根据需要设计了

硬件电路。深入分析 uC/OS-II 实时多任务操作系统的内核运行机制与内部功能

组成，实现 uC/OS-II 操作系统在 STM32 中的移植，编写基于 uC/OS-II 的CAN

总线数据发送接收任务、以太网数据发送接收任务、协议转换程序，实现了 CAN

总线网络与以太网的互联。

关键词：CAN 以太网 STM32 uC/OS-II 协议转换

Abstract

CAN-bus has been widely promoted and applied in industrial areas with its high

real-time, high reliability and flexibility, achieving a network interconnection between

field devices, but is not suitable for long-distance transmission and not realize

cross-regional network connections. Today industrial Ethernet is one of most popular

local area network due to its high energy and good compatibility, which is suitable for

long-distance transmission and access remote control systems, especially in industrial

production control layer and application management layer. To build integrated

information management system, industrial enterprises need to contain all levels of

the network management platform, from the industrial field device to he industrial

control field. Based on this situation, this article is to implement the interconnection

between CAN-bus network and Ethernet and data sharing.

Based on in-depth research and analysis of the CAN bus network protocol and

Ethernet networking technology, the study use high-performance, cost-effective

STM32 processor as the core of the hardware development platform and use real-time

multitasking UC/OS-II for the embedded operating system. After the hardware design

and software design, it makes effective real-time information conversion on the

CAN-bus protocol and the TCP/IP protocol, realizing the interconnection of Ethernet

and CAN-bus, so that users of PCs can easily take a CAN-bus access and control

CAN nodes, realizing the remote monitoring of the productions.

In the study of the design process CAN-Ethernet interconnection system,

thorough in-depth research of CAN bus network protocol and Ethernet protocol and

in-depth analysis of the TCP / IP protocol and hierarchy CAN bus protocol, the

transmission mechanism, the frame information structure, using the high-performance

STM32 processor, the hardware circuit to be designed according to the need. After

in-depth analysis of the real-time multi-tasking uC/OS-II operating system kernel

operating mechanism and internal functional components, the tasks of sending and

receiving CAN-bus data, Ethernet data and protocol conversion about CAN-Ethernet

was created based uC / OS-II, finally achieving the CAN bus network and Ethernet

connectivity.

Keywords：CAN , Ethernet ,STM32 , uC/OS-II , Protocol Conversion

摘要

Abstract

摘要 ........................................................................................................................... I

Abstract ..................................................................................................................... II

第一章绪论 ............................................................................................................. 1

1.1 课题研究的背景 ......................................................................................... 1

1.2 CAN 总线与以太网技术的发展与现状 ...................................................... 1

1.2.1 工业以太网技术 ................................................................................ 1

1.2.2 CAN 总线技术 ................................................................................... 2

1.3 本课题研究的主要内容与意义 ................................................................... 3

第二章 CAN 总线与以太网技术 ............................................................................ 4

2.1 OSI 参考模型 ............................................................................................... 4

2.2 CAN 总线技术 ............................................................................................. 4

2.2.1 CAN 总线体系结构............................................................................ 4

2.2.2 CAN 总线通信原理............................................................................ 5

2.2.3 CAN 总线帧结构 ............................................................................... 6

2.2.4 CAN 总线拓扑结构............................................................................ 7

2.3 以太网技术 ................................................................................................. 8

2.3.1 以太网体系结构 ................................................................................ 8

2.3.2 以太网的通信原理 ............................................................................ 8

2.3.3 TCP/IP 协议模型 ................................................................................ 8

第三章系统硬件的设计与实现 .............................................................................12

3.1 系统总体设计方案.....................................................................................12

3.2 系统主要器件选择.....................................................................................12

3.3 STM32 简介 ................................................................................................13

3.4 CAN 总线接口电路 ....................................................................................16

3.5 以太网接口电路 .........................................................................................18

3.6 转换协议控制芯片电路 ..............................................................................19

3.7 其他外围电路 ............................................................................................20

3.7.1 电源电路 ..........................................................................................20

3.7.2 JTAG 接口电路 .................................................................................21

第四章系统软件的设计与实现 .............................................................................22

4.1 系统软件的总体设计方案 .........................................................................22

4.2 嵌入式系统及开发环境 .............................................................................22

4.2.1 嵌入式系统 ......................................................................................22

4.2.2 μC/OS-II 操作系统 ............................................................................23

4.2.3 嵌入式开发环境 ...............................................................................24

4.3 CAN 总线模块代码实现 ............................................................................25

4.3.1 CAN 总线初始化 ..............................................................................25

4.3.2 CAN 总线发送模块...........................................................................28

4.3.3 CAN 总线接收模块...........................................................................30

4.4 以太网接口模块 ........................................................................................33

4.4.1 DMA 发送模块 .................................................................................33

4.4.2 DMA 接收模块 .................................................................................35

4.5 协议转换模块 ............................................................................................37

4.5.1 通信转换协议规约 ...........................................................................37

4.5.2 转换协议实现 ...................................................................................38

第五章网关系统测试与实验 .................................................................................40

5.1 CAN 总线网络构建与测试.........................................................................40

5.2 以太网的连接与测试 .................................................................................41

5.3 网关整体功能测试 .....................................................................................42

第六章总结与展望 ................................................................................................44

参考文献 .................................................................................................................46

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 ................................................49

致谢 .........................................................................................................................50

第一章绪论

1.1 课题研究的背景

当前，以太网技术蓬勃发展，虽有巨大的优势,但若直接将其应用到现场底

层控制网络，如工业自动化，工业设备等领域，在实时性、可靠性等方面仍然不

尽人意。相比较,现场总线在底层控制网络中却具有不可替代的优点,其具有高性

能、高可靠性、实时性、灵活性等优点，与以太网相比，其更加适合应用在工业

控制中底层控制网络。因此,在众多的底层控制网络中,现场总线一直处于在车间、

生产现场等生产第一线,作为主控网络结构存在，相比较以太网更加适合于工业

企业的生产监控层、管理层。

在多种现场总线中，CAN 总线凭借其高性能与高可靠性，已经在汽车电子、

工业自动化、工业设备、医疗电子、船舶电子等方面广泛应用，实现现场控制设

备间的网络互连[1]。当今，大部分现场总线网络与工业企业的上层管理控制网络

相互分离，甚至一些不同的控制网络之间也是相互独立的，所以，若构建工业企

业的综合信息化管理系统，不同网络间的相互连接、信息共享仍然是一个亟需解

决的问题。如果能把现场总线和以太网互联,那么这些问题都将得以解决，同时

依靠以太网可以快速方便的接入 Internet，通过现代 web 技术，现场网络中实时

信息就可以方便快速的传送到世界上任何一个地方，更进一步，将这些信息收集

统计处理，从这些大数据信息中挖掘出有价值的部分，也可以更好为社会、为人

类服务，这也正是本课题研究的意义之一。

本课题研究的正是现场 CAN 总线网络与以太网之间如何高效、快速的实现

数据的互换传输、信息共享。既可以实现 CAN 总线网络到 Ethernet 数据的转换，

同时又可以实现 Ethernet 到CAN 总线的数据信息转换[2]。针对于现场 CAN 总线

网络和 Ethernet 间的信息转换，基于 STM32 设计了 CAN 总线网络和 Ethernet

间互联的嵌入式系统。

1.2 CAN总线与以太网技术的发展与现状

1.2.1 工业以太网技术

以太网技术最初由 Xerox 公司一种研发设计，其后 Xerox、 Intel 和DEC 公

司纷纷加入，共同研发出的一种基带局域网技术规范。以太网络采用 CSMA/CD

原理，网络速度达 10M/S，并且可运行在多种不同类型的电缆上。Ethernet 与

IEEE802·3 系列标准相类似，Ethernet 不是指一种具体的网络结构，而是指的一

上海理工大学硕士学位论文

种技术规范[3]。而工业以太网技术与商用 Ethernet 差别不大，但其在制造材质、

适用场合、实时性、抗干扰性、可靠性以及本质安全等方面都有所加强，更适合

应用于工业现场。

随着网络技术、信息技术、计算机技术的不断快速发展，也带动工业以太网

技术的快速发展[4]。工业以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软

硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络

之一[5]。现代的工业控制网络正在向高度智能化、分布化、信息化等方向发展，

因此，一个更加开放、共享的控制网络也是发展的必然趋势。以太网技术引入工

业控制领域，其技术优势非常明显：

(1) Ethernet 是全数字化、全开放的网络结构，严格遵循网络协议标准，不

同厂家的设备完全可以方便、快速的进行互联。

(2) Ethernet 能够完成工业控制网络和企业信息网络的无缝连接，形成企业

管理控制一体化的综合化网络。

(3) 软件与硬件成本低，由于以太网技术发展早，技术相对成熟，支持以太

网的软件多样，硬件设备丰富，可供用户选择。

(4) 网络通信速率高，伴随企业规模的扩大，其信息系统规模必然扩大，网

络复杂程度也相应提高，更加高效快速的网络是其必然要求。

工业以太网虽然有众多的优点，并且有向下延伸至工业控制现场底层的趋势，

但就目前而言全面替代现场总线仍存在一些问题，在一些实时性、可靠性要求高

的现场中仍然力有不逮，未来一段时期，工业以太网技术与现场总线相结合，从

而实现工业企业自动化系统中信息的互联与共享[6]。这其中法国施耐德公司提出

并实现的“透明工厂”概念是典型的应用，它将现场级的仪器仪表、现场设备与车

间的制造网络、工厂的商务网络实现互联，并与现代 Web 技术相结合，实现工

厂物资供应链、电子商务和 ERP 的一体化[7]。

1.2.2 CAN 总线技术

CAN 是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称,为德国 Bosch

公司 20 世纪 80 年代设计研发，是一种具有高性能、高可靠性、实时性等优点的

串行、全数字化、双向、多站总线式的数据通信协议[8]。CAN 总线具有极高的

可靠性实时性与灵活性，在工业控制网络中，可是实现现场设备间的互联，被公

认为是最有前途的现场总线之一[9]。CAN 总线具有以下的技术特点：

1) 面向报文优先级控制方式，用标示符确定报文优先级

2) 多种帧格式，短帧传输，传输时间短。

3) 采用非破坏性的位仲裁机制，当总线空闲时，节点向总线上发送报文，

优先级低的节点自动退出，而优先级别高的可以最终获得总线访问权。

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摘要：

摘要CAN总线凭借其高实时性、高可靠性及灵活性在工业控制领域得到了广泛的推广与应用，实现了现场设备间的网络互连，但不适合远距离传输，并未实现跨地域网络连接。工业以太网拥有着高性能与良好的兼容性，适合远程传输与访问远程控制系统，在工业控制网络中，特别是工业企业生产控制层、管理层中应用也是日益广泛。在实际的生产应用中，CAN总线更多的是用于车间底层智能设备间的连接，而工业以太网更多的用于车间上层的管理与控制中，因为，若要建立工业企业的综合网络信息化管理系统，需要把现场级别的生产控制网络与工业企业上层的管理控制网络连接起来。本课题就是在这一背景下，致力于实现现场CAN总线网络与以太网的互联，实现这两...

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