1 概述
在工廠、變電站、智能大廈等大型企業自動化系統中,如 圖1(a) 所示,在上層企業管理層和生產監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,開發周期長,接口卡成為系統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結構比較
更重要的一點在于,現在成熟、穩定、廉價的以太網已經普及深入到了工廠、車間、大樓等基層。在大型企業自動化系統中,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。
2 以太網-CAN網關的組成原理
在網絡控制系統中,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,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; 另一方面對收發緩沖區進行讀寫,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,通過以太網發送出去。
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能夠廣泛應用自動化系統說明了這點。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是全球統一的規范,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發布方式向網絡客戶提供動態交互式瀏覽網頁。很容易實現調度生產管理系統或辦公自動化信息系統。
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的應用
在我們設計改造的一個企業自控系統中,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框圖
在以太網上,所有的CAN測控節點組成一個虛擬網段。CAN設備管理服務器是企業以太網中的任一控制節點,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發布方式向網絡客戶提供動態交互式瀏覽網頁。
結束語
隨著工業自動化和辦公自動化的發展,在一些場合,分布式控制系統的網絡越來越龐大,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方便地轉換成為基于以太網的分布式控制系統,將會得到越來越廣泛的應用。