4.系統(tǒng)軟件設計

　　4.1 系統(tǒng)軟件總體設計

　　如圖4所示，根據(jù)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換功能可知系統(tǒng)軟件包括TCP/IP協(xié)議程序、CAN協(xié)議程序、RS232串行數(shù)據(jù)收發(fā)程序以及對以上三種協(xié)議程序進行協(xié)議轉(zhuǎn)換和監(jiān)控管理的應用管理程序；TCP/IP協(xié)議包括ARP（地址解析協(xié)議）、IP協(xié)議（網(wǎng)際協(xié)議）、ICMP（Internet互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議）、TCP（傳輸控制）協(xié)議和UDP（用戶數(shù)據(jù)報）協(xié)議，ARP協(xié)議用于負責把一個IP地址映射成物理地址，即獲取對方或通知對方本主機物理地址的一個協(xié)議；IP協(xié)議主要功能是把源主機上的數(shù)據(jù)分組發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)中的任何一臺目標主機上；ICMP用于差錯報告和報文控制的協(xié)議，在本系統(tǒng)種主要完成ping命令請求和應答功能；UDP和TCP協(xié)議在工作時是建立在IP協(xié)議之上，UDP協(xié)議對每次輸出都生成一個UDP數(shù)據(jù)報，然后把生成的UDP數(shù)據(jù)報直接封裝在IP數(shù)據(jù)報中進行傳輸，提供無連接的不可靠的數(shù)據(jù)報文服務，而TCP協(xié)議提供面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)流服務；CAN協(xié)議用于將接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一定格式的CAN協(xié)議格式的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)到目標節(jié)點以及從其他目標節(jié)點受到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議格式數(shù)據(jù)；而RS232串口協(xié)議功能主要為系統(tǒng)調(diào)試和IP地址等參數(shù)進行設置；各功能模塊由應用管理程序進行監(jiān)控和管理完成整個系統(tǒng)功能的協(xié)調(diào)運行。

　　4.2 CAN總線擴展協(xié)議制定

　　以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)CAN總線數(shù)據(jù)時，由于CAN總線數(shù)據(jù)比較少，能滿足以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式，而以太網(wǎng)向某CAN節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)據(jù)較多，遠超出CAN總線一幀數(shù)據(jù)格式，因此需要設計CAN應用層協(xié)議對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進行管理，CAN現(xiàn)場總線僅定義物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，實際應用中，這兩層完全由硬件實現(xiàn)，由于CAN總線底層協(xié)議沒有規(guī)定應用層，本身并不完整，而在基于CANBUS的分布式控制系統(tǒng)中，有些附加功能需要一個高層協(xié)議來實現(xiàn)，結(jié)合CAN總線數(shù)據(jù)傳輸是按幀（11bit/29bit控制場+8字節(jié)數(shù)據(jù)場）傳輸?shù)奶攸c，應用于CAN總線的應用層協(xié)議可以適當?shù)睾喕?，采用傳統(tǒng)的源/目的模式格式，結(jié)合CAN特有的雙濾波特性，可以實現(xiàn)，點對點，以及多播或廣播等通信功能，其協(xié)議要素如圖5所示。

　　結(jié)合協(xié)議模型，CAN控制器采用采用PeliCAN模式，充分利用其29位標示符，采用其中14位作為尋址標識符（包括目標地址，源地址各7位），其中8位標示符作為分段碼，以及剩余5位作為功能碼，如果用戶還需要其他功能的標示位則對各位自行定義可適當調(diào)整，具體格式如圖6所示。

　　目標節(jié)點地址和源節(jié)點地址由7位二進制標示，最大可以訪問128個CAN節(jié)點，分段碼主要是完成數(shù)據(jù)傳輸過程中對命令請求、應答以及所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在整個報文中的序號及其標志等，具體格式如圖7所示，ACK為應答位，0表示本幀數(shù)據(jù)需要應答，一般用于命令幀，1表示應答幀，用于不需要應答的命令幀，SegPolo由2位二進制組成，表示分段表示符，SegNum用于記錄分段數(shù)，SegPolo=00b表示本次數(shù)據(jù)傳輸沒有分段，此時SegNum=0×00，SegPolo=01b時表示為接到以太網(wǎng)批量數(shù)據(jù)的第一個分段，此時SegNum=0×01，SegPolo=10b時表示為中間數(shù)據(jù)段，SegNum沒傳輸一個數(shù)據(jù)加1，以記錄分段數(shù)，SegPolo=11b時表示最后分段；功能碼由5位二進制數(shù)組成，共有32種情況，表示對報文功能的規(guī)定，可有用戶根據(jù)情況自行規(guī)定所表示的意義，報文數(shù)據(jù)由8個字節(jié)組成表示每幀CAN數(shù)據(jù)包中所載的數(shù)據(jù)。

　　4.3 以太網(wǎng)與CAN總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換主程序設計

　　主程序流程圖如圖8所示，以太網(wǎng)與CAN總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換主程序主要完成串口輸入程序、ARP網(wǎng)關解析程序、TCP數(shù)據(jù)處理程序、UDP數(shù)據(jù)處理程序、CAN總線數(shù)據(jù)處理程序，串行口程序主要完成對網(wǎng)絡相關參數(shù)的設置以及通過串口完成的網(wǎng)絡調(diào)試程序，如手工完成對其他網(wǎng)絡主機的Ping命令、UDP數(shù)據(jù)通信命令、TCP數(shù)據(jù)通信命令及ARP解析命令等；主程序還實時監(jiān)測對TCP協(xié)議的超時處理、TCP連接處理以及斷開處理，當有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收時，首先判斷是否為ARP報文還是IP報文，如是ARP請求報文則需進行ARP應答等操作，如為IP報文則進一步區(qū)分是ICMP報文（PING命令）還是TCP報文或UDP報文；

　　如有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收，則轉(zhuǎn)換成相應CAN幀格式數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)至對應地址的CAN節(jié)點，同時如有CAN節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)則轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式并轉(zhuǎn)發(fā)至以太網(wǎng)服務器，從而完成以太網(wǎng)與CAN局域網(wǎng)數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換橋功能。

　　5.小結(jié)

　　在分布式控制系統(tǒng)中，隨著測控技術與網(wǎng)絡技術日益緊密的結(jié)合，測控系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)己經(jīng)成為大勢所趨，這也促成了近年來嵌入式網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，本文系統(tǒng)地提出了一種CAN總線與以太網(wǎng)互連系統(tǒng)的設計方案，轉(zhuǎn)換器通過CAN總線接口CAN局域網(wǎng)連接，通過以太網(wǎng)接口與計算機連接，可以實現(xiàn)可靠的CAN總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的高速數(shù)據(jù)通信。