摘 要： 提出了一種基于雙處理器的CAN現場總線與以太網絡互連解決方案，詳細介紹了該通信接口卡的軟硬件設計，實現了生產管理層和智能裝置之間基于IEC60870-5-101/104通信規約的數據通信。
關鍵詞： CAN總線 以太網 DSP56F807 Rabbit2000 IEC60870-5-101/104
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目前，由于以太網的優勢在工業控制現場仍然很難完全發揮出來，而且實時性和抗干擾能力也不能適應工業自動化范圍中所有要求，所以最好的解決方案是將以太網同現場總線相結合，充分利用這兩種通信技術在各自領域中的優點。具體表現為在生產管理與監控層采用高速以太網技術，而在現場設備層采用現場總線技術。
1 系統結構
本系統間隔單元設備采用嵌入式工業以太網技術，從而使智能裝置真正成為工業以太網上獨立的節點，保證了智能單元設備和上位機" title="上位機">上位機系統通信快速、完全、可靠，為遠程管理智能裝置創造條件。通信接口卡(Master板)與上位機信息交換是建立在TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP協議上的國際電力行業標準的IEC104規約，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。系統結構如圖1所示。
2 裝置內部結構設計
智能裝置內部各功能模塊采用高速現場總線CAN網絡相連，總線不出裝置，功能模塊之間的數據交互快速可靠。在組幀上采用HLON規約，并使用CAN 2.0B擴展模式，為了保持協議標準化，在HLON規約的基礎上封裝了IEC101規約。其內部結構如圖2所示。
3 硬件設計
通信接口卡使用雙處理器結構。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集成卡作嵌入式網關和CAN到ETHERNET規約轉換模塊。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，用于存儲數據。RABBIT2000作為從處理器，負責進行CAN到ETHERNET轉換，并負責管理裝置同后臺的以太網通信。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，無須進行電平轉換。
(1)DSP56F807主處理器
DSP數據總線D0～D15地址總線A0～A15，外擴64KRAM存儲數據，
、
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" title="串口">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據寄存器中的一個，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容被放置到總線上，
連接到DSP的GPIOD2 ，這根線能夠將數據總線上的數據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據;如果主處理器寫從處理器狀態寄存器，這根線變為高電平。使用串口A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，以太網模塊(RCM2100自帶RJ-45接口)引出通信指示燈。PE4、
-IN、MAX705組成硬件看門狗電路。RCM2100采用5V供電。使用INT1A作為GPS對時。4 軟件功能實現
系統通信軟件可以分成CAN總線接口通信程序、協議轉換與以太網通信程序和上位機應用層" title="應用層">應用層TCP客戶端" title="客戶端">客戶端程序設計三個部分。
4.1 CAN總線接口通信程序
CAN總線接口通信程序運行于DSP56F807上，使用CodeWarrior C/C++集成開發環境。該部分程序的主要目的是將智能裝置內各種數據搜集起來，形成一個數據緩沖池，并不斷刷新供上位機調取，而來自上位機的數據通過以太網網關被DSP接收到后將被轉換為CAN協議數據，下發到裝置內部各個插件。主要通信程序模塊有： (1)CAN接收中斷模塊
CAN網接收的短幀，存入共用發送處理區或者保存區。把CAN接收中斷的數據進行分析處理，如果ID標識符的第一個字節的最高位為1，則是多信息幀數據，反之為單信息幀數據。如果是多幀信息，則根據幀序號把每幀數據按順序壓入接收緩存區。如果發現ID標識符寄存器2的最高位為1，則代表結束幀，為0則代表中間數據幀。
(2)CAN發送程序模塊
當有數據需要發往CAN口時，調用拆幀函數，使之轉化為相對應HiLon CAN短幀，每個短幀區分配16字節空間，并分別存入2KB的CanSendBuf發送緩沖區，啟動CAN發送中斷。
(3)并口接收中斷模塊
在并口中斷中，交換數據是相互的，雙方均可主動發起數據。在底層并口交換數據程序中開辟了一個256字節的緩沖區，在中斷中查詢緩沖區是否已接收完；如果接收完，則處理送入1K并口接收緩沖區ParallelRecBuf。當一個數據包接收完，則壓入共用發送處理緩沖區。
(4)并口發送程序模塊
當有數據需向并口發送時，從共用發送處理區或者保存區中取出數據組幀為IEC104信息體，送入1KB的并口發送區中ParallelSendBuf，啟動底層并口發送中斷。
DSP主程序結構流程圖如圖4所示。
4.2 協議轉換與以太網通信程序
嵌入式協議轉換程序的設計思路為：當有以太網應用層數據發送到現場智能裝置時，Rabbit把TCP數據報文解析出來后即發送給DSP處理，而當來自DSP的裝置內部數據要發往以太網應用層時則將其打包成TCP數據報文發送給目標TCP客戶端。該程序由Dynamic C開發環境開發。Dynamic C是Z-world 公司為其Rabbit系列產品開發的一種改進C語言開發系統。它提供豐富的函數庫，能實現Socket級別的TCP/IP編程，并支持各種網絡協議(如Http，Ftp等)。調用“dcrtcp.lib”，定義數據類型為tcp_Socket的變量，建立TCP套接字，利用其特殊的協語句(CoState)，可以實現在單一程序中實現多線程，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控軟件的中轉代理和智能裝置定值下載、報文監視，以及PC調試等功能。后臺接口軟件使用Delphi 6.0快速開發環境(RAD)開發。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(如后臺監控軟件)通信；開放原代碼的tmsAdvstring第三方組件包實現報表的生成與打印。
本文提出的基于雙處理器的CAN總線與以太網互連方案是一種高性能、可靠快捷的互連方案，已經在局地網成功應用于智能裝置中，滿足水電站、變電站等工業場合的應用要求。該互連方案使智能裝置與上位機系統有更深層次的互連，為遠程管理智能設備創造條件，具有非常廣闊的應用前景。
參考文獻
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2 DSP56F801/803/805/807 16-Bit Digital Signal Processor User′s Manual，MOTOROLA INC，2001
3 Preliminary Technical Data DSP56F807 16-bit Digital Signal Processor，Rev.6.0，MOTOROLA INC，2001，8