智能裝置CAN轉(zhuǎn)以太互連通信方案設計

目前，由于以太網(wǎng)的優(yōu)勢在工業(yè)控制現(xiàn)場仍然很難完全發(fā)揮出來，而且實時性和抗干擾能力也不能適應工業(yè)自動化范圍中所有要求，所以最好的解決方案是將以太網(wǎng)同現(xiàn)場總線相結(jié)合，充分利用這兩種通信技術在各自領域中的優(yōu)點。具體表現(xiàn)為在生產(chǎn)管理與監(jiān)控層采用高速以太網(wǎng)技術，而在現(xiàn)場設備層采用現(xiàn)場總線技術。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　本系統(tǒng)間隔單元設備采用嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)技術，從而使智能裝置真正成為工業(yè)以太網(wǎng)上獨立的節(jié)點，保證了智能單元設備和上位機系統(tǒng)通信快速、完全、可靠，為遠程管理智能裝置創(chuàng)造條件。通信接口卡(Master板)與上位機信息交換是建立在TCP/IP協(xié)議上的國際電力行業(yè)標準的IEC104規(guī)約，采用Server/Client通信服務模式，Master板作服務器可以支持多客戶同時登入。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計
　　智能裝置內(nèi)部各功能模塊采用高速現(xiàn)場總線CAN網(wǎng)絡相連，總線不出裝置，功能模塊之間的數(shù)據(jù)交互快速可靠。在組幀上采用HLON規(guī)約，并使用CAN 2.0B擴展模式，為了保持協(xié)議標準化，在HLON規(guī)約的基礎上封裝了IEC101規(guī)約。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 硬件設計
　　通信接口卡使用雙處理器結(jié)構(gòu)。一部分是使用Motorola公司DSP56F807芯片作為接口卡的CAN通信管理模塊；另一部分是使用Rabbit2000核的RCM2100集成卡作嵌入式網(wǎng)關和CAN到ETHERNET規(guī)約轉(zhuǎn)換模塊。通信接口卡硬件邏輯框圖如圖3所示。

　　通信接口卡采用主從工作方式，即DSP56F807作為主處理器，利用其自帶的MSCAN模塊負責管理CAN通信。DSP外擴64KBRAM，用于存儲數(shù)據(jù)。RABBIT2000作為從處理器，負責進行CAN到ETHERNET轉(zhuǎn)換，并負責管理裝置同后臺的以太網(wǎng)通信。RABBIT2000與DSP接口方式采用并行接口。板上還設有RS485、RS232接口，可以用于PC調(diào)試或與后臺連接。DSP56F807采用3.3V電源供電，RABBIT2000采用5V電源供電，經(jīng)測試只要輸入電壓達到2.1V，RABBIT2000即認為高電平，DSP56F807輸出高電平在2.1V以上；DSP56F807 I/O可以接受5V信號，所以DSP與RABBIT2000可以直接相連，無須進行電平轉(zhuǎn)換。
　　(1)DSP56F807主處理器
　　DSP數(shù)據(jù)總線D0～D15地址總線A0～A15，外擴64KRAM存儲數(shù)據(jù)，、連接外擴RAM的讀、寫允許端，作為外擴RAM 片選信號。DSP的GPIOB口連接從處理器的SD0～SD7，GPIOD0、GPIOD1連接從處理器的SA0、SA1，GPIOD2、GPIOD3連接從處理器的寫、讀允許端()。一個中斷連接從處理器的，作為從處理器中斷申請。DSP的PWMB2連接MAX705的WDI作為外部硬件看門狗喂狗信號，PWMB4連接發(fā)光二極管作為DSP的運行指示燈。用DSP的兩個SCI模塊RXD0、TXD0、RXD1、TXD1做成標準RS-232、485接口。引出DSP的JTAG口用于調(diào)試，用DSP的MSCAN模塊和82C250作為CAN通信端口。通過DSP的SPI口與RABBIT2000同步串口B相連，作為另一種接口方式。DSP采用3.3V電源供電。

(2)RABBIT2000從處理器
　　該處理器使用內(nèi)核為RABBIT2000的RCM2100集成卡。其SD0～SD7連接到DSP的GPIOB0-GPIOB7。SA1、SA0用來選擇從處理器接口的四個數(shù)據(jù)寄存器中的一個，連接到DSP的GPIOD1、GPIOD0。從芯片選擇管腳連接到DSP芯片的一個輸出端GPIOD4。連接到DSP的GPIOD3，如果為低，這根線被拉低使地址線所選擇的寄存器的內(nèi)容被放置到總線上，連接到DSP的GPIOD2 ，這根線能夠?qū)?shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)鎖存進入地址線所選擇的寄存器中。連接到DSP的一個中斷口，在它變低時向DSP申請中斷。如果從處理器寫SPD0R寄存器，這根線置為低電平，聲明從處理器中有可用的數(shù)據(jù);如果主處理器寫從處理器狀態(tài)寄存器，這根線變?yōu)楦唠娖健Ｊ褂么贏作為編程口，串口B及CLKB作為同步串口和DSP的SPI口相連，組成另一種接口方案。使用PC2作為RABBIT2000運行指示燈，以太網(wǎng)模塊(RCM2100自帶RJ-45接口)引出通信指示燈。PE4、

4.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換與以太網(wǎng)通信程序
　　嵌入式協(xié)議轉(zhuǎn)換程序的設計思路為：當有以太網(wǎng)應用層數(shù)據(jù)發(fā)送到現(xiàn)場智能裝置時，Rabbit把TCP數(shù)據(jù)報文解析出來后即發(fā)送給DSP處理，而當來自DSP的裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)要發(fā)往以太網(wǎng)應用層時則將其打包成TCP數(shù)據(jù)報文發(fā)送給目標TCP客戶端。該程序由Dynamic C開發(fā)環(huán)境開發(fā)。Dynamic C是Z-world 公司為其Rabbit系列產(chǎn)品開發(fā)的一種改進C語言開發(fā)系統(tǒng)。它提供豐富的函數(shù)庫，能實現(xiàn)Socket級別的TCP/IP編程，并支持各種網(wǎng)絡協(xié)議(如Http，F(xiàn)tp等)。調(diào)用“dcrtcp.lib”，定義數(shù)據(jù)類型為tcp_Socket的變量，建立TCP套接字，利用其特殊的協(xié)語句(CoState)，可以實現(xiàn)在單一程序中實現(xiàn)多線程，同時建立與處理多個TCP連接，支持多客戶端同時登入。
4.3 上位機應用層TCP/IP客戶端程序
　　后臺接口軟件具有后臺監(jiān)控軟件的中轉(zhuǎn)代理和智能裝置定值下載、報文監(jiān)視，以及PC調(diào)試等功能。后臺接口軟件使用Delphi 6.0快速開發(fā)環(huán)境(RAD)開發(fā)。利用其自帶的TClientSocket組件建立TCP客戶端，TClientSocket組件封裝了Socket套接字，只要將組件Active屬性設置為True,那么它就會自動不斷嘗試連接指定IP地址與端口(IEC60870-5-104指定端口為2404)的TCP服務器。TClientSocket組件自帶的TNMUDP組件與其他應用程序(如后臺監(jiān)控軟件)通信；開放原代碼的tmsAdvstring第三方組件包實現(xiàn)報表的生成與打印。
　　本文提出的基于雙處理器的CAN總線與以太網(wǎng)互連方案是一種高性能、可靠快捷的互連方案，已經(jīng)在局地網(wǎng)成功應用于智能裝置中，滿足水電站、變電站等工業(yè)場合的應用要求。該互連方案使智能裝置與上位機系統(tǒng)有更深層次的互連，為遠程管理智能設備創(chuàng)造條件，具有非常廣闊的應用前景。