基于CC2530与CAN总线的异构融合网关设计

潘玲

1.背景

随着工业控制技术的发展，工业自动化已经广泛应用于工业控制的各個领域。同时，节点数据实时性传输要求，数据接口的开放性与标准化等要求不断提高，节点布设灵活性要求也越来越高，使得传统工业现场有线通信的解决方案局限性日益突出。 采用无线通信技术，能节约投资成本，减少设备安装的工作量，解决某些场合下（例如汽车电子领域）无法使用有线通信技术的局限性问题。但在抗干扰性要求较高、安全性要求较强的场合，有线通信还会继续发挥其主导作用。所以，有线通信方案与无线通信网络的融合设计，将可能成为工业控制网络技术发展的新趋势。

有线与无线通信网络相互连接需要通过网关实现。而无线通信、有线通信解决方案众多，从众多方案中找出合适的通信技术，选择能够满足设计要求的嵌入式终端作为网关，针对系统结构存在很大差异的有线通信网络和无线通信网络之间的连接，确保通信的有效性与可靠性是网关设计的首要任务。

由于CAN总线是工业现场常用总线之一，基于CC2530的无线通信解决方案也得到了广泛应用，将 CAN 与 ZigBee 技术相结合，应用到某些合适的场合是一个很好的解决方法。因此，设计与实现 CAN 和 ZigBee 的混合网络是本课题的核心任务。

2.技术背景

（1） CAN总线

CAN是控制器局域网络（Controller Area Network， CAN）的简称，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准（ISO 11898），是国际上应用最广泛的现场总线之一。 在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线

CAN总线上单个节点的硬件架构有两种方案：

第一种硬件架构由 MCU 、CAN 控制器和 CAN 收发器组成。这种方案采用了独立的 CAN 控 制器，优点是程序可以方便地移植到其他使用相同 CAN 控制器芯片的系统，缺点是需要占用 MCU 的 I/O 资源且硬件电路更复杂一些。

第二种硬件架构由集成了 CAN 控制器的 MCU 和 CAN 收发器组成。这种方案的硬件电路简单，缺点是用户编写的 CAN 驱动程序只适用某 个系列的 MCU（如：ST公司的 STM32 F103、TI 的TMS320LF2407等），可移植性较差。

STM32 F1系列微控制器内部集成了CAN控制器，名为bxCAN（Basic Extended CAN ），bxCAN 支持 CAN 技术规范V2 .0A和V2 .0B，通信比特率高达1Mb /s，在数据接收方面的特性有：bxCAN含两个具有三级深度的接收FIFO，其上溢参数可配置，并具有可调整的筛选器组，帧起始段支持接收时间戳。

（2） ZigBee无线通信

ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。

CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。本系统中，为调试方便，采用的是BasicRF 软件包。

BasicRF软件包，其包括硬层（软件，其括硬层（ 软件包，其括硬层（Hardware layer Hardware layer）、 硬件抽象层（Hardware Abstraction layer Abstraction layer）、基本无线传输层（BasicRF layer）和应用层（Application）。虽然该软件包还没有用到）。虽然该软件包还没有用到）。虽然该软件包还没有用到Z-Stack协议栈，但是其包含了IEEE 802.15.4标准数据包的发送和接收，采用了与IEEE 802.15.4 MAC兼容的数据包结构及ACK包

3.设计方案

本系统模拟设计了工业现场火灾检测报警，CAN从节点通过火焰传感器采集火焰信息，并通过CAN线上传至CAN网关，CAN网关将传感数据进行存储，通过485总线向云平台传递数据，并通过串口连接ZigBee主模块，主模块发送无线指令控制ZigBee从模块发出报警信号，CAN网关与CAN节点均采用STM32F103构成。

其通信格式如下：

4.结论

作为最典型、应用最广泛的现场总线技术之一，CAN总线就以其通信距离远、速度快、多主多从、实时性好、检错能力强等优点成为了工业现场应用最为常见的总线;而ZigBee作为TI公司开发的一种成熟的无线通信解决方案，具有低复杂度、低成本、低功耗、灵活性强的优点。将CAN总线和ZigBee无线网络相结合，使两者的优势互补，可以扩展两者的应用领域。

本课题针对CAN和ZigBee的原理与特点，设计了一种CAN/ZigBee混合网络。 在分析CAN节点和ZigBee节点MCU发展现状和趋势的基础上，本课题选用内嵌CAN协议控制器和收发器的LPC11C24作为CAN节点MCU，选用内嵌增强型8051内核和RF收发器的CC2530作为ZigBee节点MCU。在对STM32F103与CC2530之间通信方式进行详细分析的基础上，本课题采用UART在STM32F103与CC2530之间交换数据，构成双MCU结构的网关节点。

测试结果表明：本课题设计的CAN总线网络、ZigBee无线网络和网关节点具有结构简单，数据传输有效性和可靠性高的优点，为实现CAN和ZigBee的无缝连接提供了一种可行方案。

受资助科研项目：重庆工业职业技术学院校级科研项目《智能制造中异构网络互联技术研究》项目编号：GZY201706-ZA

（重庆工业职业技术学院）