UDP转CAN协议的数据传输系统开发

2019-11-27王庆贺吴文杰樊兵团

科技与创新 2019年21期

王庆贺，吴文杰，樊兵团，何威

（中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214072）

1 引言

CAN 总线的数据通信具有实时性、可靠性高和灵活性强等优点，但也存在无法直接连接网络的局限性[1]。以太网技术是目前使用广泛的通信技术之一，具有组网灵活、成本低廉、传输速率高、距离远等优点[2]。目前，某生产车间新的工业生产设备基本支持以太网通信，但是部分旧的工业生产设备仅支持CAN 通信，为了让旧的工业生产设备也可以并入网络，必须开发设计可以沟通以太网和CAN 总线的设备。本文以以太网和CAN 总线之间的数据传输为研究对象，设计开发了基于UDP 和CAN 协议的传输系统。

2 系统概述

基于UDP 和CAN 协议的数据传输系统的架构如图1所示。

图1 系统架构示意图

该系统中，DSP28335 作为数据传输系统的主控制器，实现以太网和CAN 通信间的数据转换。DSP28335 通过数字隔离器、CAN 收发器与CAN 总线相连，通过W5300 以太网控制器连接到以太网，进而和生产车间监控平台通信。DSP 与存储芯片通过SPI 接口相连，存储芯片用于存储配置参数。

3 系统硬件设计

3.1 网络接口电路设计

W5300 集成了10/100M 以太网控制器，具有MAC 和TCP/IP 协议栈，数据传输速率高，可以达到50 Mbps，DSP28335 和W5300 使用总线接口，数据总线可以是8 位也可以是16 位。W5300 芯片方便、可靠、使用广泛。DSP28335和W5300 的连接如图2所示。

图2 DSP28335 和W5300 的连接示意图

3.2 CAN 接口硬件电路设计

DSP28335 具有增强型控制器区域网络（eCAN）模块，兼容CAN2.0 标准。eCAN 模块包括CAN 协议内核和消息控制器两部分。

eCAN 具有以下一些特性：兼容CAN2.0B 协议，支持1 Mbit/s 的速率，32 个邮箱可用，低功耗模式，自动重传，支持4 种不同类型的帧。基于DSP28335 的CAN 节点接口硬件电路如图3所示，仅使用了A 路eCAN。

如图3所示，DSP28335 的CANTXA 和CANTXB 引脚首先经过数字隔离器，然后和CAN 收发器的TXD 和RXD相连，转换成CANH 和CANL 后与CAN 总线进行通信。HCPL-9031 是一款双通道数字隔离器，具有良好的性能，满足 CAN 通信要求。本系统的 CAN 收发器选用的是TJA1050T，该芯片是CAN 协议控制器与CAN 物理总线之间的转换接口，提供差动发送、差动接收功能。实际工作现场的情况十分复杂，节点之间会有共模电压的产生，CAN接口本身是差分传输方式，一定程度上可以抑制共模干扰，但是当共模电压过大时，CAN 接口电路就无法正常工作了，芯片也可能被损坏。设计时，在CAN 总线的CANH 和CANL之间添加了一路TVS 管，CANH、CANL 和CAN-GND 之间也各添加了一路TVS 管，保护接口电路不被过高瞬间电压击毁。CANH、CANL 和CAN-GND 之间并联了22 pF 的电容，用来滤除CAN 总线上的高频干扰，防止产生电磁辐射。CANH 和CANL 信号线采用差分布线，长度必须保持一致。CANH 和CANL 之间必须连接一个120 Ω 的匹配电阻，否则CAN 通信的抗干扰性和可靠性会大大降低，甚至有可能无法正常通信。HCPL-9031 和TJA1050T 等芯片的电源与地之间并联了0.1 uF 的去耦合电容，用来降低干扰。

图3 基于DSP28335 的CAN 节点接口硬件电路

4 系统程序设计

4.1 网络通信程序设计

网络通信使用的是UDP 协议，UDP 协议是一种无连接的传输协议，发送方发送数据时并不会管接收方是否存在，同样的，接收方接收到数据时，也不会将接收到数据的情况回馈给发送方；但UDP 协议通信效率高、耗费资源小，可以一对一、一对多、多对一或者多对多发送，十分灵活[3-4]。

DSP 的程序中向目标地址发送数据使用sendto（s，buf，len，destip，destport）函数，接收数据使用loopback_udp（s，lport，buf，mode）函数。无论UDP 发送还是接收数据都是在程序的主循环中实现，未使用中断。下文会详细叙述以太网数据和CAN 数据的转发。

4.2 CAN 通信收发程序设计

CAN 通信过程中使用了eCAN 模块的两个消息邮箱，一个用于向CAN 总线上发送数据，一个用于从CAN 总线上接收数据，分别是发送消息邮箱和接收消息邮箱。

数据发送到CAN 总线上的过程如下：在主程序中接收网络发送过来的UDP 数据包，将UDP 数据包解析成一个或者多个CAN 数据帧，并通过发送消息邮箱发送到CAN 总线上，具体过程如图4（a）所示。从CAN 总线上接收数据使用中断的方式，当eCAN 的接收消息邮箱接收到数据时会触发中断，在中断服务程序中将接收消息邮箱中的数据存放至CAN 接收缓冲区中。将CAN 接收缓冲区中的数据发送至网络的过程在主循环中实现。数据发送到网络的流程如图4（b）所示。需要注意的是，在从CAN 接收缓冲区中取出数据时，必须关闭中断，防止在取数据的期间进入CAN 接收中断服务程序更改CAN 接收缓冲区而引起混乱。将数据发送到网络的过程中，需要将CAN 类型的数据打包发送至以太网上，发送的UDP 数据包的长度都是12 的倍数，UDP 数据包的格式如图5所示，其中CAN 帧地址占据4 字节（无论标准帧还是扩展帧），CAN 数据占据了8 字节。

图4 数据转发流程图

图5 UDP 数据包格式

5 实验结果

为了测试系统的功能，编写了测试上位机软件，测试上位机使用UDP 通信，可以发送数据，也可以将接收到的UDP数据包解析成一帧帧CAN 数据。测试时使用两个基于UDP和CAN 协议的数据传输系统，两者CAN 总线互连，分别通过网络连接两个测试上位机软件。一个测试上位机软件发送数据，另一个测试上位机软件接收数据。

上位机软件显示接收的CAN 数据如图6所示。通过对比发送和接收的数据，两者相同。从实验结果可以看出，基于UDP 和CAN 协议的数据传输系统可以实现所需功能。