1、南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）题 目 ： 以太网与 CAN 总线通讯接口技术研究 专 业： 自动化（数控技术） 班 级： 数控 102 学 号： 203100613 学生姓名： 郭世伟 指导教师： 方 力 讲 师 起迄日期： 2014.22014.6 设计地点： 工程实践中心 Graduation Design (Thesis)Ethernet and CAN bus communications technologyresearchByGuo Shi WeiSupervised byProf.Fang LiSchool of AutomationNanjing Institute
2、 of TechnologyJune, 2014南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）I摘 要控制器局域网络(CAN)是一种能有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，具有高性能和高可靠性的特点，现已经形成国际标准。但 CAN 总线也具有其局限性,那就是难以接入因特网。如果能够把现场总线与以太网连接，那么这些问题都将得以解决，同时，由于以太网能够方便的接入因特网，控制信息也将可以方便快速地传送到世界上任何一个地方。本文在对以太网及 CAN 总线通讯协议进行深入分析的基础上，对以太网与CAN 总线接口技术进行研究，以 AT89S51 单片机为核心处理器，以 Keil Uvision2为软件
3、开发，编写工具，以太网接口电路模块采用以太网控制器 RTL8019AS 芯片来实现单片机收发以太网上的数据，CAN 总线接口电路模块采用 CAN 总线控制器SJA1000 芯片来实现单片机收发 CAN 总线上的数据，进而实现了 CAN 总线接入以太网的功能。关键字：以太网；CAN 总线；网关；接口南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）IIABSTRACTController Area Network (CAN) is an effective control or support distributed real-time control of serial communication n
4、etwork with high performance and high reliability, and now has become an international standard. But CAN bus also has its limitations, it is difficult to access the Internet. If you can put a fieldbus and Ethernet connection, then these problems will be solved, and because Ethernet can easily access
5、 the Internet, the control information will also be quickly and easily transferred to any place in the world.Based on the Ethernet and CAN bus communication protocol in-depth analysis, Ethernet and CAN bus interface technology research to AT89S51 microcontroller core processor, with Keil Uvision2 fo
6、r software developers, authoring tools, Ethernet interface circuit module using Ethernet controller RTL8019AS chip microcontroller to send and receive data over Ethernet, CAN bus interface circuit module using CAN bus controller SJA1000 chip to achieve single-chip transceiver CAN data bus, thus achi
7、eving a CAN bus Ethernet access capabilities .Key words: Ethernet; CAN bus; Gateway; Interface南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）III目 录第一章 绪 论 .11.1 引言 .11.2 选题的背景与意义 .11.3 研究现状 .11.3.1 现场总线控制系统的优点 .21.3.2 CAN 总线简介 .21.4 本文的结构 .3第二章 CAN 总线智能节点设计 .42.1 CAN 控制器 SJA1000 功能简介 .42.2 CAN 控制器 SJA1000 的基本结构 .42.2.1 SJA10
8、00 内部功能模块说明 .62.2.2 SJA1000 引脚图和工作模式 .72.3 SJA1000 的寄存器 .82.3.1 寄存器表 .82.3.2 BasicCAN 模式下的寄存器说明 .102.4 CAN 节点硬件系统的设计 .182.4.1 SJA1000 与单片机的连接 .182.4.2 PCA82C250 外围电路 .192.4.3 电源电路 .202.4.4 单片机地址译码电路 .202.5 SJA1000 的重要寄存器 .212.5.1 控制 SJA1000 基本功能的寄存器 .212.5.2 发送缓冲器和接收缓冲器 .222.6 SJA1000 的验收滤波器原理 .232.
9、6.1 单滤波 .232.6.2 双滤波 .242.7 CAN 控制器中位定时参数设置的一般方法 .242.8 CAN 通信协议的制定 .252.9 CAN 节点软件系统的设计 .262.9.1 CAN 节点的软件结构 .26南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）IV2.9.2 建立 CAN 通信的步骤和流程 .262.9.3 SJA1000 初始化程序的设计方法 .272.9.4 读写 SJA1000 寄存器 .282.9.5 SJA1000 数据接收程序设计方法 .292.9.6 SJA1000 数据发送程序设计方法 .30第三章 以太网总线智能节点设计 .323.1 以太网控制器 R
10、TL8019AS 功能简介 .323.2 以太网控制器 RTL8019AS 的基本结构 .323.2.1 RTL8019AS 内部结构说明 .343.2.2 RTL8019AS 引脚图及部分管脚设置 .343.3 RTL8019AS 寄存器 .373.3.1 RTL8019AS 寄存器表 .373.3.2 寄存器功能说明 .383.4 以太网节点硬件系统的设计 .433.4.1 RTL8019AS 与单片机的连接 .433.4.2 地址锁存器 74LS373 .453.4.3 以太网接口 .463.5 以太网节点软件系统的设计 .463.5.1 复位 RTL8019AS .463.5.2 RT
11、L8019AS 寄存器的读写 .473.5.3 RTL8019AS RAM 的操作 .473.5.4 RTL8019AS 的初始化 .483.5.5 RTL8019AS 的数据接收程序设计方法 .493.5.6 RTL8019AS 的数据发送程序设计方法 .51第四章 结 论 .524.1 论文总结 .524.2 感想 .53致 谢 .54参 考 文 献 .55附录 A：硬件设计原理图与 PCB 图 .56附录 B：软件程序清单 .57南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）1第一章 绪 论1.1 引言随着网络技术和信息技术的迅速发展，自动化领域产生了深刻的变革，并逐渐形成了网络化、全开放、
12、全分布的自动控制体系结构。而现场总线正是这场深刻变革中的重要技术。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它的关键是把网络化、信息化的概念彻底引入到控制领域和工厂的控制中。构建完整的控制网络和信息网络，不仅可实现高度灵活、高可靠性的分散控制，而且可以实现全厂，甚至全世界范围内的信息共享，优化企业生产过程，实现企业的量化管理，提高企业的生产效率。1.2 选题的背景与意义当今的以太网技术虽然有其优势，但要直接用于工业控制，仍然面临一些未解决的问题。同时，由于现场总线具有不可代替的优点，与以太网相比，更适合用于控制网络。因此，工业企业中，一般把现场总线用于车间
13、、生产现场等生产第一线，作为控制网络，而以太网主要应用于企业管理层和生产监控层。由于不同现场总线之间没有统一的标准、难以接入因特网等缺点，使得目前大部分企业的控制网络和信息网络相互独立，甚至不同的控制网络之间相互独立，不同网络的互联仍然是一个急需解决的问题。如果能够把现场总线与以太网连接，那么这些问题都将得以解决，同时，由于以太网能够方便的接入因特网，控制信息也将可以方便快速地传送到世界上任何一个地方。这就为本课题的研究提供了机遇，也是本课题研究的意义所在。1.3 研究现状现代化的发展使人们对生产过程的性能控制提出了更高的要求，这使得企业管理者、工程师需要获取更多的来自现场的信息，从而实现从现
14、场控制到监控、管理、决策、商务等各个层次的信息交换与集成，以提高生产效率和市场竞争力。这种需求推动了现场总线技术的诞生，呼唤着以现场总线为纽带,以分散的智能测控设备为节点的网络系统与控制系统的出现，并对传统模拟仪表控制系统、非开放性的 DCS系统发起了革命性的挑战。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）21.3.1 现场总线控制系统的优点系统的开放性:开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可互连为系统而实现一致通信与信息交换。在 FCS 中，用户可以根据需要,将遵从相同协议的不同厂家的产品集成到一个规模随意的系统中,通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统,从根本上打破了 DCS
15、系统的封闭性。互可操作性与互用性:互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传递与沟通;互用性则指不同生产厂家的性能类似的设备之间可以实现相互替换。现场设备的智能化与功能自治性:现场总线系统将传感测量、补偿计算与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。系统结构的高度分散性:现场总线己构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上改变了现有的 DCS 系统体系，简化了系统结构,提高了可靠性。对现场环境的适应性：工作在生产现场，作为工厂网络底层的现场总线,是专为现场环境设计的,可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较
16、强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信,并可满足安全防爆要求。节省硬件数量与投资：现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行传感测量、补偿计算与控制等功能,故可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要 DCS 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控 PC 机作为操作站，从而节省了硬件投资，并减少了控制室的占地面积。节省安装、维护费用：现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上可以挂接多台设备,故可节省大量的电缆、端子、槽盒、桥架，而连线设计与接头校对的工作量也可大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增加新的电缆，可就近连接在原有的电
17、缆上，即节省了投资，也减少了设计安装的工作量。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行、诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护时间，减少了维护的工作量。提高了系统的准确性与可靠性：现场总线设备的智能化和数字化，从根本上提高了测量与控制的精度。同时，由于系统的结构简化，设备与连线的减少，现场仪表内部功能的加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的可靠性。1.3.2 CAN 总线简介CAN（Controller Area Network,控制器局域网）是一种高性能、高可靠性、易南京工程学院自动化学院本科毕
18、业设计（论文）3开发且低成本的现场总线，在全球得到广泛应用，也是最早在我国应用的现场总线之一。CAN 是 20 世纪 80 年代（1983）德国 Bosch（博世）公司为解决众多的测量控制部件之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信总线。最初，CAN 作为汽车的监测、控制系统而设计，在车载各电子控制装置 ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入 CAN 控制装置。现在，由于 CAN 总线自身的特点，其应用领域已由汽车行业扩展到过程工业、机械工业、机器人和楼宇自动化等领域。1.4 本文的结构本文以以太网和 CAN 总线的通
19、讯接口的研发工程项目作为应用背景，对以太网和 CAN 总线的通讯技术进行了研究。全文共分为四章，各章的主要内容如下：第一章扼要地介绍了现场总线以及 CAN 总线的概念、特点和相关研究背景；第二章研究了 CAN 智能节点的硬件电路和软件程序设计；第三章研究了以太网智能节点的硬件电路和软件程序设计；第四章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）4第二章 CAN 总线智能节点设计2.1 CAN 控制器 SJA1000 功能简介SJA1000 是一种独立 CAN 控制器，它是 PHILIPS 公司的 PCA82C20OCAN 控制器的替代产品
20、。SJA1000 具有 BasicCAN 和 PeliCAN 两种工作方式，PeliCAN 工作方式支持具有很多新特性的 CAN2.0B 协议，SJA1000 在软件和引脚上都是与它的前一款 PCA82C200 独立 CAN 控制器兼容的，并在此基础上增加了很多新的功能。为了实现软件兼容，SJA1000 采用了两种工作方式： BasicCAN 方式(PCA82C200 兼容方式) ，PeliCAN 方式(扩展特性方式)。工作方式通过时钟分频寄存器中的 CAN方式位来选择，上电复位默认工作方式是 BasicCAN 方式。2.2 CAN 控制器 SJA1000 的基本结构SJA1000 的内部功能框图如图 2.1 所示，其引脚描述如表 2.1 所列。图 2.1 SJA1000 内部结构
