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CAN 总线与以太网互连系统设计与应用 中文摘要 I 中文摘要 Internet 正在把全世界的办公系统和通信系统连接起来,这为现场信息的远程 访问提供了可能;

现场总线为现场设备接入 Internet 提供了基础.

论文探讨了 CAN 总线与以太网互连的方法,利用8 位微控制器 MC68HC908GZ60 设计并实现了 CAN 总线 与以太网的互连,并将该互连系统成功地应用于远程数据采集系统. 本文首先介绍了课题的相关背景和概念,接着详细阐述了以MC68HC908GZ60 为主 控MCU 的CAN-以太网互连系统的设计思想及软硬件实现方法.系统利用 MSCAN08 实 现嵌入式 CAN 接口,利用RTL8019AS 实现嵌入式以太网接口. 给出了协议网关的软硬 件设计描述与关键技术的实现要点. 最后将互连系统应用于苏州瑞萨半导体公司的稼 动率(正常运行效率)数据采集系统.在该数据采集系统中,利用CAN 总线将现场设备 连接起来,并通 过协议网关实现 CAN 总线与公司的信息网相连, 从而实现工业现场数 据的远程采集.文中也述及了抗干扰问题、测试问题及实际研发过程中的一些体会, 同时,还对工业以太网在远程数据采集中的应用进行了探讨. 关键词:CAN 总线,uIP,协议网关,MC68HC908GZ60,RTL8019AS,MSCAN08 作者:汤龙梅 指导老师:王宜怀 ABSTRACT The design and application of an interconnection system between CAN-bus and Ethernet II ABSTRACT The Internet connects the office systems worldwidely with the communication systems and that makes it possible for the remote access to bottom information. At the same time, the field bus provides a foundation for the field devices to connect to the Internet directly. Based on the research of Ethernet connecting solution of CAN-bus, an interconnection system between CAN-bus and Ethernet is accomplished in the thesis, which is initialized with MC68HC908GZ60 MCU, an 8-bit micro-controller, and is successfully applied in a remote data collection system. Firstly, some background information and conception related to the thesis are introduced. Secondly, the design idea and the implementing method of hardware and software of the interconnection system hosted by MC68HC908GZ60 are described in detail. The system takes MSCAN08 module to achieve an embedded CAN-bus interface and a RTL8019AS chip to complete an embedded Ethernet interface. Then the description about design of a protocol gateway '

s hardware and software and some key points of the implementation are given. Finally, the interconnection system is applied in the collection system of Renesas Corporation in Suzhou, which gathers devices'

running percentage data. In this system, devices located in field are connected each other by CAN-bus, while the CAN-bus is connected to the information network of the corporation via the protocol gateway, thus the remote data collection system is accomplished. Some issues about anti-jamming, testing and experience of project development are also presented. Further more, the application of industrial Ethernet in remote data collection is discussed. Key words: CAN-bus, uIP, Protocol Gateway, MC68HC908GZ60, RTL8019AS, MSCAN08 Written by Tang Longmei Supervised by Wang Yihuai CAN 总线与以太网互连系统设计与应用 目录目录中文摘要.I 英文摘要.II

第一章 概述.1 1.1 背景

1 1.1.1 以太网发展情况及应用前景.1 1.1.2 现场总线发展情况及应用前景.2 1.2 现场总线与以太网互连系统构思.2 1.3 课题意义

3 1.4 本文工作与论文结构.3 1.4.1 本文工作.3 1.4.2 论文结构.4

第二章 相关的基础知识概要

5 2.1 网络基础知识

5 2.1.1 网络的概念.5 2.1.2 TCP/IP协议.5 2.1.3 协议网关.6 2.2 嵌入式以太网和uIP.6 2.3 CAN(Controller Area Network)总线简介.6 2.3.1 CAN总线简介.6 2.3.2 CAN节点的分层结构.6 2.3.3 CAN总线的位数值表示与通信距离.7 2.3.4 相关概念.7 2.3.5 报文传输和帧类型.8 2.4 差分信号原理

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第三章 互连系统硬件设计

11 3.1 硬件选型

11 3.2 芯片介绍

12 3.2.1 MC68HC908GZ60微控制器.12 3.2.2 RTL8019AS网络接口芯片.13 3.3 MC68HC908GZ60支撑电路.14 3.4 MC68HC908GZ60最小系统硬件连接及测试.15 3.5 MSCAN08接口硬件连接及测试.16 3.6 以太网接口硬件设计及测试.17 3.7 CAN-以太网网关硬件设计及测试.21

第四章 互连系统软件设计

22 4.1 MC68HC908GZ60用户监控程序.22 4.2 MSCAN08软件设计

23 4.2.1 初始化MSCAN08.23 4.2.2 发送CAN协议报文.25 目录CAN总线与以太网互连系统设计与应用 4.2.3 接收CAN协议报文.26 4.3 以太网接口软件设计.27 4.3.1 RTL8019AS驱动程序设计.27 4.3.2 uIP协议栈.35 4.4 CAN-以太网网关协议转换.40 4.4.1 协议转换.40 4.4.2 CAN节点路由表的维护.41

第五章 应用系统设计与实现

42 5.1 稼动率采集系统概述.42 5.2 稼动率采集系统总体设计.42 5.3 稼动率采集说明

44 5.4 采集器硬件设计

45 5.5 采集器软件设计

46 5.5.1 AD数据采集及灯状态确定.46 5.5.2 汉字液晶显示.48 5.5.3 键盘输入.49 5.6 远程数据采集的实现.49 5.6.1 通过CAN接口上传数据.49 5.6.2 通过以太网接口上传数据.51 5.6.3 两种远程采集方式的区别.51

第六章 应用系统测试及体会

53 6.1 模块测试测试

53 6.1.1 灯状态采集测试.53 6.1.2 以太网通信测试.54 6.1.3 CAN总线通信测试.54 6.1.4 协议网关测试.55 6.2 集成测试

55 6.3 现场测试遇到的问题及应对措施.56 6.3.1 数据采集.56 6.3.2 现场干扰.56 6.4 体会

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第七章 总结与展望

61 7.1 总结

61 7.2 展望

61 致谢.62 参考文献.63 附录A MC68HC908GZ60芯片资料

65 附录B RTL8019AS相关资料

68 附录C LCD解压算法

70 攻读学位期间公开发表的论文及参与的鉴定项目

72 CAN 总线与以太网互连系统设计与应用

第一章 概述

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第一章 概述 在竞争日趋激烈的信息化和网络化时代, 企业管理决策人员如何以最快速度获取 生产第一线的情况, 进而作出正确的生产经营决策, 是保证企业生存的关键因素之一. 企业信息网络化是企业与世界最新技术同步、 保持其竞争力的必然要求和趋势.本文 的工作是通过构建 CAN 总线与以太网互连系统,并将该系统应用于远程数据采集.本 章首先介绍了相关的设计背景、作者 的设计构思和课题意义, 最后给出了本文的工作 内容及论文结构. 1.1 背景 随着控制技术、通信技术和网络技术尤其是 Internet 的迅速发展,如何将现场 测控网络接入 Internet,通过 Internet 对现场设备进行远程诊断、维护和服务,实 现企业从现场控制层到上层管理层的无缝信息集成是现代化时代的基本要求 [1] . 而在传统的现场设备控制方案中, 受当时技术水平的限制,现场信息 往往止步于 现场 [2] .现场数据通 常是由现场操作员通过报表的方式汇报给上层管理者. 因此, 上层管理者不能快速、直接地了解现场生产情况,更不用说通过 Internet 远程访问 现场设备了.这 使得从数据产生到管理者作出反应之间存在较大的延迟时间.在 竞争 激烈、各厂商都在与时间赛跑的今天,这样的控制方案显然不能满足要求. 1.1.1 嵌入式以太网发展情况及应用前景 由于 Internet 的飞速发展,以太网通信技术得到了越来越广泛的应用.以太网 是当前主流的信息传输网络,因为速度快、互操作性好、可扩展性强、价格便宜等特 点已逐步在嵌入式领域得到了广泛的应用. 当一台设备具有网络功能时, 人们可以在 任意时间、任何地点、使用任何平台随时浏览设备的实时状态,在远程实现对这台设 备的监视、 控制、 诊断、测试 和配置. 由于市场对嵌入式以太网产品的需求急剧上升, 投入以太网研究的公司越来越多,有些大公司已经推出带以太协议的微控制器,如Freescale(原Motorola)半导体公司已于

2004 年年底推出集成的

16 位微控制器 MC9S12NE64.可以预见,在不久的将来,人们身边的各种设备,都将可能成为互联网 上的一员.这将是一个嵌入式系统和 Internet 相结合的时代,具有联网功能的嵌入 式系统将代替 PC 在Internet 网络中占据主导地位,这 反过来又将大大地促进嵌入式 以太网和嵌入式 Internet 技术的发展.

第一章 概述 CAN总线与以太网互连系统设计与应用

2 1.1.2 现场总线发展情况及应用前景 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、 全数字化、 智能、双向、多变量、多点、多站的通信网络.IEC(International Electrot........