基于以太网CAN模块的总线协议转换网关设计

2018-07-05左登超

铁路通信信号工程技术 2018年5期

关键词：IP地址字节以太网

左登超贾涛

（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛 266031）

现阶段我国动车组数量庞大、种类繁多，不同车型使用的车体通讯总线也有差异。不同方式的通讯设备目前尚不能相互兼容。

为使当前已有的以太网通讯设备能够适应CAN车体总线，以减少重新开发软硬件系统的成本，本文提出基于以太网CAN模块的总线协议网关设计。

1 CAN与以太网简介

1.1 CAN简介

控制器局域网络（Controller Area Network,CAN），由德国BOSCH公司研发并成为国际标准——ISO11898[1]。其被广泛应用在计算机控制系统、嵌入式控制设备局域网等领域中[2]。

CAN总线协议帧格式有两种类型:CAN标准帧、CAN扩展帧[3]。CAN标准帧由11个字节组成，包括帧信息、帧数据两部分内容。前3个字节为帧信息部分，后8个字节为帧数据部分。CAN协议标准帧格式如表1所示。

表1 标准帧格式Tab.1 Standard frame format

在表1中，字节1代表帧信息，其第7位——FF代表帧格式，在CAN协议标准帧格式中，FF的值为0；其第6位——RTR代表帧类型，RTR=0时为数据帧，RTR=1时为远程帧；其第0～3位表示帧类型为数据帧的数据部分总长度。字节2与字节3表示帧识别码，其低11位有效，高5位则无效。字节4到字节11代表数据帧的数据部分，帧类型为远程帧时，字节4到字节11无效。

CAN扩展帧由13个字节组成，包括帧信息、帧数据两部分内容。前5个字节为帧信息部分，后8个字节为帧数据部分。CAN扩展帧格式如表2所示。

表2 扩展帧格式Tab.2 Extended frame format

在表2中，字节1代表帧信息，其第7位——FF代表帧格式，在CAN协议扩展帧格式中，FF的值为1；其第6位——RTR代表帧类型，RTR=0时为数据帧，RTR=1时为远程帧；其第0到3位表示数据帧的实际数据部分总长度。字节2到字节5为帧识别码，其低29位有效，高3位则无效。字节6到字节13代表数据帧的数据部分，帧类型为远程帧时，字节6到字节13无效。

1.2 以太网

以太网通信协议中常用UDP 与TCP协议。

用户数据报协议（User Datagram Protocol UDP）:是一种无连接的通信协议[4]。在OSI模型中，UDP在第四层——传输层，是IP协议的上一层。UDP常用于需要在计算机之间进行数据交互的网络应用程序中[5]。UDP主要将网络应用之间传输的数据流量压缩转换成数据包[6]。

传输控制协议（Transmission Control Protocol TCP）:是一种面向连接、可靠、基于字节流的通信协议[7]。在OSI模型中，TCP完成第四层——传输层所指定的功能，是与用户数据报协议在同一层内的另一个重要传输协议[8]。

2 模块简介、转换原理及配置

2.1 模块简介

以太网CAN模块如图2所示。该模块带有2路CAN接口和一路RJ45以太网接口，可进行双向数据传送。以太网设备可以通过RJ45接口连接一个标准的CAN网络。以太网CAN模块可以作为一个标准的CAN节点。利用该模块，用户可以方便快速地开发出CAN总线应用软件产品。

以太网CAN模块共有3组对外接口:一个标准的RJ45以太网接口；一个7pin接线端子（电源输入接口），端子定义如表3所示；一个10pin的接线端子（CAN总线信号接口），端子定义如表4所示。

图1 以太网-CAN转换模块Fig. 1 Ethernet-CAN conversion module

表3 7pin接线端子Tab.3 7pin connection terminal

表4 10pin接线端子Tab.4 10pin connection terminal

该模块性能如下:

1）以太网与CAN总线协议转换；

2）具备2路独立CAN接口；

3）以太网通讯采用UDP协议，透明转换；

4）兼容CAN2.0A、CAN2.0B、标准帧、扩展帧；

5）可进行双向数据交互，CAN发送与接收；

6）兼容数据帧、远程帧格式；

7）波特率可调范围5 Kbit/s～1 Mbit/s；

8）最大帧转换流量1 200帧/秒；

9）数据接收缓冲区大小可达100 帧，共1 300 Byte；

10）可检索、配置模块网络参数；

11）外部直流工作电源7～24 V；

12）隔离模块绝缘电压1 000 Vrms；

13）工作温度为-20～85℃；

14）机械外壳尺寸100*70 mm，支持DIN导轨安装。

2.2 协议转换原理

网络设备将一包或多包CAN帧数据填充到UDP包中发向模块网口，模块接收到网络数据后，将UDP数据包中的CAN帧数据提取出来，发向CAN设备。协议转换如图2所示。

图2 以太网-CAN协议转换过程Fig.2 Ethernet-CAN protocol conversion process

1）帧信息

帧信息Frame Info占一个字节，该字节的bit定义如表5所示。

表5 帧信息定义Tab.5 Definition of frame information

FF:标准帧和扩展帧的标识，0为标准帧，1为扩展帧。

RTR:远程帧和数据帧的标识，0为数据帧，1为远程帧。除非特殊应用，一般客户都是用数据帧，填0即可。

DLC3～DLC0:标识该CAN消息帧中的有效数据长度，最多8个。

2）ID域

CAN消息帧的ID填充域共4个字节，如表6所示。

表6 帧ID定义Tab.6 Definition of frame ID

当为标准帧时，占用后2个字节。ID2的高5位无效，补0。例:当ID＝0x03FF时，按表7方式填充。

表7 标准帧ID实例Tab.7 Example of standard frame ID

当为扩展帧时，占用4个字节。ID0的高3位无效，补0。例:当ID＝0x12345678时，按表8方式填充

表8 扩展帧ID实例Tab.8 Example of extended frame ID

3）数据域

根据CAN消息的定义，一个CAN帧中，最多可以包含8个字节的数据。当该CAN帧不需要8个字节时，余下的字节补0。注意:需要在FrameInfo字节中指明有效数据个数。例:FrameInfo中的DLC3～DLC0＝8，表明有8个数据有效，如表9所示。

表9 数据域实例Tab.9 Example of data domain

4）CAN消息帧举例

如表10所示，是一个标准数据帧，ID为0x3ff，包含6个数据字节，为11h,22h,33h,44h,55h,66h的CAN帧的表示方式。

表10 标准数据帧实例Tab.10 Example of standard data frame

2.3 模块配置

该模块可人工配置参数，配置步骤如下。

1）修改模块网口一侧设备的IP地址为192.168.0.55，子网掩码255.255.255.0，默认网关192.168.0.1。

2）将R+与R-用导线短接，接入终端电阻，并打开参数配置软件，如图3所示。

图3 以太网-CAN模块参数配置界面Fig.3 Interface of Ethernet-CAN module parameters configuration

3）点击“设备型号”，选择NET-CAN200，然后点击“设备操作”→“启动设备”,会在弹出的窗口将网络中NET-CAN设备列表显示。显示信息包括该设备的主机IP，主机端口，设备IP和设备端口。运行菜单“设置”→“获取NET-CAN信息”,得到当前模块的参数，并可以进行修改，如图4所示。

主要参数含义如下:

1）主机IP:用于通讯转发的主机IP地址；

图4 设备参数配置界面Fig.4 Interface of equipment parameters configuration

2）主机端口:用于通讯转发的主机IP端口；适配器只有接收到从这个IP地址和端口发来的数据，才能转发到CAN总线；同时，CAN总线端过来的数据，将通过以太网UDP方式发到这个IP地址和端口；

3）设备IP:模块的IP地址；

4）设备端口:模块用于UDP通讯的端口号。主机必须通过UDP协议发送数据到这个IP地址和端口，设备才能接收到；

5）波特率:CAN总线的波特率，支持5k～1Mbit/s的15种常规速率供选择；

6）自接收使能:在使能方式下，设备向CAN总线发送的消息都可以被收回，该模式用于设备的自测试。

3 软件实现

采用Windows操作系统下的vc6.0集成开发环境编写通讯代码，步骤如下。

3.1 初始化网络套接字

1）定义网络套接字及相关变量

SOCKET socket1,socket2;

SOCKADDR_IN sockDest,sockDest2,sockDest3;

SOCKADDR_IN sockFrom;

SOCKADDR_IN sockSrc;

CString strDevIpAddress;

int SockAddrlen=sizeof(SOCKADDR);

2）绑定主机IP和端口

socket1=socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

SOCKADDR_IN sockSrc;

sockSrc.sin_family=AF_INET;

sockSrc.sin_port=htons(4060);

sockSrc.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(INADDR_ANY);

bind(socket1,(SOCKADDR *)&sockSrc,sizeof(SOCKADDR));

3）生成SockDest用于连接测试

sockDest.sin_family=AF_INET;

sockDest.sin_port=htons(3000);

sockDest.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr(“192.168.0.101”);

4）生成SockDest2通讯用CAN0通道

sockDest2.sin_family=AF_INET;

sockDest2.sin_port=htons(4001);

sockDest2.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr(“192.168.0.101”);

5）生成SockDest3 通讯用CAN1通道

sockDest3.sin_family=AF_INET;

sockDest3.sin_port=htons(4002);

sockDest3.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr(“192.168.0.101”);

3.2 设备连接测试

为便于用户进行通信前测试，以太网CAN模块提供了一组连接测试的命令字CDh,0Dh。当模块收到这个命令后，将回送当前设备中的DevIP 和HostIP等网络参数。

1）定义并赋值相关变量

char SendData[15];

char rbuf[100];

BYTE rbuf2[100];

SendData[0]=0xCD;//连接测试命令字

SendData[1]=0x0D;//连接测试命令字

2）发送连接测试请求

if(send to(socket1, Send Data,2,0,(SOCKADDR*)&sockDest,sizeof(SOCKADDR))==SOCKET_ERROR)

{

MessageBox(“udp发送失败");

return;

}

3）接收数据，连接成功

int datalen=recvfrom(socket1, rbuf, 1024,0, (SOCKADDR*)&sockFrom,&SockAddrlen);

if(datalen!=13) return;

for(i=0;i

rbuf2[i]=rbuf[i];//格式转换

for(i=0;i<4;i++)

DevIP[i]=rbuf2[1+i];//设备IP地址

for(i=0;i<4;i++)

HostIP[i]=rbuf2[5+i];//主机IP地址

DevUdpPort=rbuf2[9]*256+rbuf2[10];//设备UDP 端口号

HostUdpPort=rbuf2[11]*256+rbuf2[12];//主机UDP端口号

3.3 CAN数据发送

1）定义并赋值相关变量

char SendData[1500];

char rbuf[1000];

BYTE rbuf2[1000];

for(int i=0;i<40;i++)//UDP携带40个CAN数据

{

SendData[i*13]=0x08;//帧信息

SendData[i*13+1]=0x00;//ID0

SendData[i*13+2]=0x00;//ID1

SendData[i*13+3]=0x02;//ID2

SendData[i*13+4]=0x15;//ID3

SendData[i*13+5]=i*8;//数据1

SendData[i*13+6]=i*8+1;//数据2

SendData[i*13+7]=i*8+2;//数据3

SendData[i*13+8]=i*8+3;//数据4

SendData[i*13+9]=i*8+4;//数据5

SendData[i*13+10]=i*8+5;//数据6

SendData[i*13+11]=i*8+6;//数据7

SendData[i*13+12]=i*8+7;//数据8

}

2）发送携带CAN数据的UDP包

if(sendto(socket1,SendData,40*13,0,(SOCKADDR*)&sockDest2,

sizeof(SOCKADDR))==SOCKET_ERROR)

{

MessageBox(“udp 发送失败”);

return;

}

3.4 CAN接收

1）开启线程处理UDP数据接收

AfxBeginThread(ReceiveThread,0)；

2）定义相关变量

char rbuf[1000];

int datalen;

3）接收携带CAN数据的UDP包

datalen=recvfrom(socket1, rbuf, 1024, 0,(SOCKADDR*)&sockFrom, &SockAddrlen);

4）CAN数据解析与处理

if((datalen%13)==0)//如果该字节数是13 的整数倍，表示UDP包字节完整。

{

//CAN消息都在rbuf[datalen]数组中

//该部分进行处理或显示收到的CAN消息

}

4 结束语

使用以太网CAN模块作为以太网通讯设备和CAN总线设备的网关进行实时协议转换，使以太网通讯设备能够兼容通讯方式不同的 CAN车体总线。减少开发成本，满足功能需求，增强设备的可移植性与兼容性，实用性较强。

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