一種嵌入式現(xiàn)場總線通信網(wǎng)關設計淺析

文中設計的現(xiàn)場總線通信網(wǎng)關提供了對CANBUS和MODBUS的支持，實現(xiàn)了CANBUS與MODBUS數(shù)據(jù)的透明傳輸，為2種總線的兼容提供了可行方案。

1 網(wǎng)關模型分析

本文設計的現(xiàn)場總線通信網(wǎng)關具備MODBUS主站及MODBUS從站的功能，以下以兩種典型的應用場景為例分析網(wǎng)關的工作方式。圖1所示的應用場景網(wǎng)關工作在MODBUS主站模式，圖2所示的應用場景網(wǎng)關工作在MODBUS從站模式。

1.1 網(wǎng)關的MODBUS主站模式

網(wǎng)關工作于MODBUS主站模式時，當CANBUS上的監(jiān)控主機發(fā)出一幀數(shù)據(jù)時，網(wǎng)關作為CANBUS上的設備接收到該數(shù)據(jù)，根據(jù)驗收碼和屏蔽碼判斷是否處理該數(shù)據(jù)。若驗證成功，則解析收到的CAN數(shù)據(jù)幀，得到CAN數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)按照MODBUS協(xié)議逐層打包生成MODBUS幀，網(wǎng)關作為MODBUS主站向MODBUS上的從站發(fā)送這一幀數(shù)據(jù)，完成了一次CANBUS到MODBUS的單向數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)議轉(zhuǎn)換示意圖如圖3所示。

1.2 網(wǎng)關的MODBUS從站模式

網(wǎng)關工作于MODBUS從站模式時，當由MODBUS上的監(jiān)控主機發(fā)出一幀信息時，網(wǎng)關收到該MODBUS幀，檢查地址碼與功能碼，若與自身地址相符且功能碼為發(fā)送，按MODBUS協(xié)議逐層解析，得到其數(shù)據(jù)；網(wǎng)關將數(shù)據(jù)按照CANBUS協(xié)議打包形成CAN的數(shù)據(jù)幀，向CANBUS發(fā)送該幀，并向MODBUS主站發(fā)送回應幀，完成了一次MODBUS到CANBUS的單向數(shù)據(jù)傳輸。

2 硬件設計

本文設計的嵌入式現(xiàn)場總線通信網(wǎng)關包括主控制器（STM32F207），CANBUS接口單元，MODBUS接口單元用于接入MODBUS，以及3.2英寸LCD觸摸屏模塊。硬件系統(tǒng)框圖如圖4所示。

2.1 STM32F207微控制器

本文選用STM32F207構建整個系統(tǒng)，STM32F207是一款基于ARM Correx-M3內(nèi)核的32位微處理器，工作頻率120 MHz.STM32F207提供了豐富的接口，支持2路CAN 2.0協(xié)議的CANBUS接口，3路USART接口，2路UART接口，6路定時器，F(xiàn)SMC+SPI接口（16BITFSMc+SPI）用于接入LCD觸摸屏模塊，支持2種調(diào)試接口：串行接口和JTAG調(diào)試接口。

2.2 CANBUS接口單元

由于STM32F207內(nèi)置有bxCAN控制器，該控制器是一種在標準CAN總線基礎上擴展的總線接口，支持CAN總線協(xié)議2.0 A和2.0 B.能以最小的CPU負荷來高效處理收到的大量報文。它也支持報文發(fā)送的優(yōu)先級要求（優(yōu)先級特性可軟件配置）。為了滿足CAN總線協(xié)議中的標識符硬件過濾需求，bxCAN控制器提供了位寬可變的、可配置的過濾器組，用來完成只接收軟件需要的報文功能。CAN接口電路選擇SN65HVD230CANBUS收發(fā)器。SN65HVD230是一種專用于帶CAN控制器設備的CANBUS收發(fā)器，可應用于ISO 11898標準的CANBUS串行通信的物理層中。SN65HVD230CAN BUS收發(fā)器可以向總線和CAN控制器提供不同的數(shù)據(jù)傳輸速度，最高速度為1 Mb/S.

2.3 MODBUS接口單元

MODBUS接口單元使用RS 485串行接口，接口芯片為MAX485.MAX485是用于RS 485與RS 422通信的低功耗收發(fā)器，每個器件中都具有一個驅(qū)動器和一個接收器。驅(qū)動器具有短路電流限制，并可以通過熱關斷電路將驅(qū)動器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過度的功率損耗。接收器輸入具有失效保護特性，當輸入開路時，可以確保邏輯高電平輸出。MAX485的驅(qū)動器擺率不受限制，可以實現(xiàn)最高2.5 Mb/s的傳輸速率。

3 軟件設計

3.1 CANBUS的應用層定義

本文設計的現(xiàn)場總線通信網(wǎng)關定義了CANBUS的應用層協(xié)議。

（1）規(guī)定網(wǎng)關收到的CAN數(shù)據(jù)幀中的第1個字節(jié)為CANBUS的功能碼，該功能碼為0x0F時，與MODBUS進行通信。

（2）規(guī)定CAN數(shù)據(jù)幀中的第2個字節(jié)的高4位為該幀的標號位，低4位為該幀中包含的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，該字節(jié)數(shù)為MODBUS協(xié)議中數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)。

（3）規(guī)定CAN數(shù)據(jù)幀中的第3，第4個字節(jié)分別為MODBUS的地址碼和功能碼。

（4）規(guī)定從CAN數(shù)據(jù)幀的第5個字節(jié)開始為MODBUS的數(shù)據(jù)域，由于MODBUS的數(shù)據(jù)域一般為4個字節(jié)，此時CAN數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段恰好為8個字節(jié)。

（5）當MODBUS數(shù)據(jù)長度大于4字節(jié)時，需要從2個或者多個連續(xù)發(fā)送的標號相同的CAN數(shù)據(jù)幀中獲得完整的MODBUS數(shù)據(jù)。當獲得的數(shù)據(jù)位數(shù)與幀中給出的位數(shù)不同時丟棄該幀。

定義一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A，一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B，分別用于臨時存放CANBUS到MODBUS的數(shù)據(jù)和MODBUS到CANBUS的數(shù)據(jù)。

3.2 CANBUS的收發(fā)程序設計

該部分包括CAN初始化，CAN發(fā)送程序，CAN接收程序。CAN的初始化包括以下內(nèi)容：配置嵌套向量中斷控制器（NVIC），設置CAN的Rx0和TX中斷的響應優(yōu)先級和搶占優(yōu)先級，RX0和TX中斷使能。根據(jù)硬件連接配置GPIO，本文中RX使用GPIOD0，TX使用GPIOD2.設置波特率及過濾器配置。

CANBUS數(shù)據(jù)的接收是通過接收郵箱（FIFO）中斷進行處理的，當FIFO接收到一個新的報文時，過濾器根據(jù)預設的值判斷報文的標示符是否匹配，若不匹配，直接丟棄該報文；若該報文的標示符與預設值匹配則中斷處理程序?qū)⒔邮锗]箱中的數(shù)據(jù)拷貝到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A，該數(shù)據(jù)將作為MODBUS主站發(fā)往MODBUS從站的數(shù)據(jù)。CANBUS數(shù)據(jù)接收程序流程如圖5所示。

CANBUS的數(shù)據(jù)發(fā)送同樣使用郵箱機制，網(wǎng)關從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中獲得從MODBUS接收的數(shù)據(jù)，設置標示符和數(shù)據(jù)長度，選擇一個發(fā)送郵箱，使能發(fā)送郵箱空中斷。因此當該郵箱為空時產(chǎn)生一個中斷，中斷處理程序?qū)?shù)據(jù)從緩沖區(qū)拷貝到發(fā)送郵箱，該郵箱狀態(tài)變?yōu)轭A定發(fā)送狀態(tài)。

當CAN總線進入空閑狀態(tài)，預定發(fā)送郵箱中的報文就馬上被發(fā)送，進入發(fā)送狀態(tài)。郵箱中的報文被成功發(fā)送后，它馬上變?yōu)榭锗]箱。CAN BUS數(shù)據(jù)發(fā)送程序如圖6所示。

3.3 MODBUS主站、從站的收發(fā)程序設計

網(wǎng)關作為MODBUS從站時的主要工作是初始化串口，初始化定時器，配置嵌套向量中斷控制器（NVIC），分別對串口接收數(shù)據(jù)中斷和定時器中斷設置響應優(yōu)先級和搶占優(yōu)先級。從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A中獲得數(shù)據(jù)，對獲得的數(shù)據(jù)生成CRC校驗碼，組成MODBUS幀從串口按照時序發(fā)送這一幀數(shù)據(jù)。

串口初始化如下：

MODBUS協(xié)議規(guī)定了2種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。本文設計的網(wǎng)關使用RTU模式傳輸，在此模式下報文中每個8位字節(jié)含有2個4位16進制字符它的優(yōu)點是較高的數(shù)據(jù)密度，在相同的波特率下比ASCII模式有更高的吞吐率。命令幀由地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)語和CRC校驗碼構成。在RTU模式下，幀與幀之間必須由時長至少為3.5個字符時間的空閑間隔區(qū)分。整個幀必須以連續(xù)的字符流發(fā)送，如果兩個字符之間的空閑間隔大于1.5個字符時間，則該幀被認為不完整的幀而被丟棄，接收設備假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。

MODBUS主站程序需要使用3個定時器，其中TIM2用于控制發(fā)送的3.5個字符的幀間隔。TIM3用于控制接收MODBUS從站的回應幀的3.5個字符的幀間隔。TIM4用于接收時確保字符間的間隔小于1.5個字符時間。初始化TIM2與TIM3，定時時間為定時3.645 8 ms（波特率為9 600 b/s時的3.5字符時間）：

網(wǎng)關作MODBUS主站的工作流程如圖7所示。

網(wǎng)關工作在MODBUS主站模式時對從站響應幀的接收使用中斷處理的方式。在第一個字節(jié)傳輸結(jié)束后啟動TIM4定時器，定時時間為1.5個字符時間，在后續(xù)的字節(jié)傳輸結(jié)束時清零計數(shù)器，保證一個幀中的字符間隔不超過1.5個字符時間。接收完成后啟動定時器TIM3，定時3.5個字符時間，在此時間內(nèi)的接收的任何數(shù)據(jù)都將丟棄。

網(wǎng)關作為MODBUS從站時對化串口和定時器的初始化與MODBUS主站相同，將數(shù)據(jù)組成CAN的幀，發(fā)送該幀，并向MODBUS主站發(fā)送響應幀。網(wǎng)關作為MODBUS從站的工作流程如圖8所示。

3.4 主程序

主程序中初始化FSMC，初始化LCD，初始化觸摸屏，校正觸摸屏，顯示工作模式選擇界面、參數(shù)配置界面及當前工作模式界面。根據(jù)選擇進入相應工作模式。

4 測試結(jié)果

在PC機上使用串口助手和USB-CAN軟件模擬CANBUS與MODBUS的收發(fā)。MODBUS到CANBUS的通信模擬：由PC機向網(wǎng)關發(fā)送一幀數(shù)據(jù)00 01 02 03 0405 06 07，網(wǎng)關設置幀ID為0x321并發(fā)出數(shù)據(jù)，通過CANUSB軟件接收該數(shù)據(jù)為00 01 02 03 04 05 06 07.如圖9所示。CANBUS到MODBUS的通信模擬：使用CAN-USB軟件發(fā)送一幀0f 14 0f 05 00 01 02 03，網(wǎng)關解析其中數(shù)據(jù)00 01 02 03，并作為MODBUS主站發(fā)送數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸出到串口助手為00 01 02 03.如圖10所示。

5 結(jié)語

本文設計實現(xiàn)了一種在CANBUS和MODBUS間進行透明的數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧浆F(xiàn)場總線通信網(wǎng)關，軟硬件設計簡單，通信參數(shù)可現(xiàn)場配置，能夠很好地實現(xiàn)CANBUS與MODBUS間的通信。該網(wǎng)關解決了異類現(xiàn)場總線間通信的問題，使系統(tǒng)的兼容性、互聯(lián)性、可擴充性都得到了極大的提高，具有良好的應用前景。