1 概述

        在工廠、變電站、智能大廈等大型企業(yè)自動化系統(tǒng)中,如 圖1(a) 所示,在上層企業(yè)管理層和生產監(jiān)控層采用的都是以太網和PC機,而在下層車間、現場都是采用現場總線（如RS-485、CAN、 lonWorks、基金會等）和單片機測控設備。上下兩層的溝通,通常采用工業(yè)控制機加以太網卡,再加上PC機插槽上的接口卡或并行打印口的EPP接口卡來實現。這種連接方式成本高,開發(fā)周期長,接口卡成為系統(tǒng)上下兩層的通信瓶頸,一旦出現故障,上下兩層的聯系就告中斷。為此,如 圖1(b) 所示,我們利用廉價的“網絡通”組成基于單片機的以太網-CAN網關取代昂貴的工控機加接口卡,成功地實現了以太網和現有CAN總線網的直接連接,實現管理監(jiān)控層（以太網）和生產測控層（CAN總線網）之間的連接。上下層數據能方便地進行交流。

圖1 兩種分布式自動控制系統(tǒng)結構比較

        更重要的一點在于,現在成熟、穩(wěn)定、廉價的以太網已經普及深入到了工廠、車間、大樓等基層。在大型企業(yè)自動化系統(tǒng)中,沒有必要再采用現場總線和兩級結構,可直接利用廉價的以太網接口模塊“網絡通”,將各種測控設備直接接入以太網,形成現代化的網絡控制系統(tǒng)。

2 以太網-CAN網關的組成原理

        在網絡控制系統(tǒng)中,我們利用“網絡通”組成基于單片機的以太網-CAN網關,結構組成如 圖 2 所示。“網絡通”由以太網接口A和微處理器組成。在此基礎上增加CAN接口B就組成了以太網-CAN 網關。

圖2 基于“網絡通”的以太-CAN 網關

（1） 以太網接口A

        以太網接口A可選用符合IEEE802.3協議的10Base-T通用接口芯片,如 UM9003、RTL8019等,完成與以太網在物理層和數據鏈路層的連接。使用 RJ-45插口,可以直接掛接到以太網上。

（2） 微處理器

        微處理器負責對以太網接口A芯片和CAN接口B芯片進行控制。微處理器內駐有 TCP/IP通信協議和CAN協議,完成以太網協議和CAN總線協議轉換,實現接口 A和接口B通信數據的透明傳輸。

        由于CAN總線傳輸的數據量不大,數據傳輸速率不高,遠小于以太網的數據傳輸速率,所以在以太網 -CAN接口模塊中,數據的傳送瓶頸在CAN接口B。在測控領域,通常傳輸的數據量不大,對數據傳輸速率要求也不高,于是,在此模塊中微處理器可選用通常的單片機如 8031等。

（3） CAN接口B

        CAN接口B采用了飛利浦的CAN物理層和鏈路層接口芯片SJA1000和 PCA82C250。微處理器直接控制SJA1000的AD0～AD7、、、ALE、RST 和腳。SJA1000的MODEL腳接高電平,工作在Intel模式下;片選腳接地,始終處于選通狀態(tài),如 圖 3 所示。微處理器對 SJA1000的操作主要是對寄存器的操作：一方面對SJA1000的模式寄存器（MOD）、命令寄存器（CMR）、狀態(tài)寄存器（SR）、中斷寄存器（ IR）、中斷允許寄存器（IEP）、總線定時寄存器（BTR0、 BTR1）、輸出控制寄存器（OCR）、時鐘分頻計數器（CDR）進行設置和檢測; 另一方面對收發(fā)緩沖區(qū)進行讀寫,從而和CAN設備交換數據。

圖3 以太網-CAN 接口原理圖

        圖 4 是微處理器對SJA1000進行初始化、讀、寫的流程圖。微處理器將以太網送來的命令通過向SJA1000寫,來傳送給CAN測控設備;反過來,又將向SJA1000讀取CAN 測控設備的測量值或狀態(tài),通過以太網發(fā)送出去。

圖4 微處理器CAN接口原理圖

3 以太網-CAN網關的主要特性

        網絡分布式控制需要有開放式、數字化、多點通信的控制網絡,基于現場總線的網絡分布式控制系統(tǒng)能夠廣泛應用自動化系統(tǒng)說明了這點。使用以太網取代現場總線網不僅滿足這些需求,而且還有許多優(yōu)點。

① 不需要專門鋪設CAN通信網來進行設備之間的信息傳送,而是利用廣為存在的、廉價的、標準的以太網來進行信息的傳送。組建這樣的測控網速度很快,理論上節(jié)點數沒有限,組網成本低, 維護也容易。

② 在數據傳送中,每臺測控設備的地址實際有“網絡通”的IP地址和CAN接口地址兩部分組成。在以太網中,CAN接口測控設備的CAN地址和數據一起作為“網絡通”通信中IP包的數據進行傳送。

③ 具有多主多從的高通信容量的特點;每幀有硬件CRC校驗,可靠性高;通信報文可大可小,效率很高;通信協議TCP/IP是全球統(tǒng)一的規(guī)范,容易連成不受地域限制的大控制網。

④ WWW（Word Wide Web）瀏覽器的人機界面友好易用,設備管理服務器一方面用瀏覽器檢測和控制以太網上不同設備,另一方面使用WWW發(fā)布方式向網絡客戶提供動態(tài)交互式瀏覽網頁。很容易實現調度生產管理系統(tǒng)或辦公自動化信息系統(tǒng)。

⑤ 由于通信數據包符合TCP/IP標準,可以在Internet網上穿越交換機或路由器,遠程上網客戶只要用WWW瀏覽器就可方便地查詢各個智能設備狀態(tài)和實時遙控各個智能設備。

4 以太網-CAN網關接口模塊在自動測控系統(tǒng)的應用

        在我們設計改造的一個企業(yè)自控系統(tǒng)中,采用了圖 5 的方式。所有原有的CAN測控設備,有的是通過以太-CAN接口模塊直接接到企業(yè)以太網上,有的是仍通過CAN總線網連接到以太網上;而新增加的設備則直接利用以太網接口模塊接到以太網上,不再需要專門鋪設CAN通信網來進行設備之間的信息傳送。

圖5 基于以太網的分布式控制應用系統(tǒng)框圖

        在以太網上,所有的CAN測控節(jié)點組成一個虛擬網段。CAN設備管理服務器是企業(yè)以太網中的任一控制節(jié)點,連在以太網上的WIN NT服務器安裝專用網絡管理軟件就可讓合法的工程技術人員遠程管理CAN設備,通過以太網可同CAN設備進行數據通信。這樣以太網就可完全替代原來的CAN總線網,同時,服務器使用WEB發(fā)布方式向網絡客戶提供動態(tài)交互式瀏覽網頁。

結束語

        隨著工業(yè)自動化和辦公自動化的發(fā)展,在一些場合,分布式控制系統(tǒng)的網絡越來越龐大,現場總線越來越受地域、鋪設成本、負載容量的限制。另一方面,靈活、方便,安全性、可靠性高的以太網飛速發(fā)展和因特網的普及,寬帶網已深入家庭、辦公室、旅店、工廠與車間,使人們在生活與工作的各個地點,都可通過互聯網來交換信息。在這種情況下,利用廉價的“網絡通”,利用互聯網取代現場總線,使原現場總線的分布式控制系統(tǒng)方便地轉換成為基于以太網的分布式控制系統(tǒng),將會得到越來越廣泛的應用。