控制器局域網(Controller Area Network，CAN)總線是Bosch公司為解決現代汽車控制設備與測試儀器之間數據交換而開發的一種串行數據通信協議，主要用于各種設備的檢測及控制。目前，CAN總線被廣泛應用于汽車等交通運輸工具、工業控制、智能樓宇、機械工業、醫療器械、傳感器等領域，被稱為最有前途的現場總線之一，但其主要缺點是不適合遠距離傳輸。以太網接口開始是為了連接實驗室的多個計算機設備，開發的快速連接方式。隨著傳輸速率的提高和交換技術的使用，以太網的確定性和實時性得到了保證，工業以太網的安全性和網絡生存性也得到了很大程度的提高。使其在工業控制領域得到廣泛的應用。目前計算機已經廣泛應用與各個操控領域，而計算機常用的連接端口就是以太網，只要接口標準統一，并安裝好必要的軟件，計算機就可以介入到各個控制系統中去。因此，為了提高效率，有必要采用技術手段，實現通過以太網接口使計算機融入CAN網絡，把以太網的遠距離傳輸性與CAN的專業性結合起來，優勢組合。
1 芯片選擇
1．1 CP2200芯片介紹
CP2200芯片是Sificon Labs公司推出的工業界體積最小、性能最高、8位總線控制的以太網驅動芯片，支持IEEE802·3以太網媒體訪問MAC控制協議，支持10BASE／T物理層，完全兼容100／1 000 BASE T網絡，可以工作在全雙工或半雙工模式，能進行自動極性檢測和糾正，具有碰撞自動重發功能，能自動填充和生成CRC，支持廣播和多播。CP2200內部帶有2 k字節的發送緩存和4 k字節的接收緩存，還有8 k字節的內部Flash存儲器，用于存儲用戶常數、Web服務器內容，它的最后6個存儲單元是工廠預編程的唯一48位MAC地址。此芯片采用48管腳的TQFP封裝，工作的溫度范圍在-40～+85℃，可為具有11個以上I／O引腳的微處理器擴展以太網通信功能。此芯片具有30 Mb／s速率的并行主機接口，支持Intel和Motorola兩種總線方式。
CP2200的多種集成功能(如CRC校驗、數據濾波等)有效減輕了單片機的載荷，它內部的收發接口單元操作起來靈活方便，為以太網數據包提供了有效緩沖。使用該芯片時，電路只需增加1個RJ-45快速以太網接口即可，其工作特性可以滿足CAN總線的傳輸波特率要求。其內部結構如圖1所示。
1．2 C8051F040芯片介紹
C8051F系列單片機是Silicon Labs公司推出的系統級芯片，具有與80C51兼容的CIP-51內核。C8051F040內部集成的CAN控制器包括1個CAN內核、消息RAM(獨立于CIP-51內核)、消息處理單元、控制寄存器等。C8051F040內部包含1個CAN協議控制器，并沒有提供物理層的驅動器，實現與CAN總線的接口。數據接收和濾波都由CAN控制器完成，不需要CIP-51內核的參與。這種方式可使CAN通信時占用的系統資源最小。CIP-51內核通過配置其內部的特殊功能寄存器來實現CAN的數據交互。其內部結構如圖2所示。
2 系統硬件設計
系統電路如圖3所示，由CP2200、C8051F040、CAN驅動芯片的SN65HVD230等組成。其中CP2200與HR911105A組成以太網電路部分，SN65H-VD230單個組成CAN收發電路。工作原理如下，當CP2200收到以太網數據時，觸發C8051F040的INTO，C8051F040把數據從CP2200的接收緩沖區拷貝到其內存空間，然后通過SN65HVD230轉發到CAN網絡；當CAN數據有要發送到以太網，C8051F040收到數據后，就向CP2200的發送緩沖區轉發數據，最后由CP2200通過HR911105A發到以太網。
2．1 以太網部分電路
CP2200通過HR9011105A連接到以太網上。HR9011105A是HanRun公司生產的集以太網隔離變壓器、RJ-45接口和指示燈為一體的網絡連接器。CP2200的收發信號分別連接到HR9011105A的收發針腳，同時前者的LED控制信號LINK、ACK也都接到后者相應針腳。其中，LINK是連接成功指示燈，ACK是數據傳輸指示燈。CP2200與C8051F040的連接，首先數據和地址總線、讀寫信號相連接，其次CP2200的中斷引腳INT與C8051-F040的INT0引腳連接在一起，其片選CS陣腳接C8051F040的A15腳。CP2200的發送緩沖區地址為0x0000～0x07FF，接收緩沖區地址前部分與發送緩沖器重合，具體地址為0x0000～0x0FFF。當A15為低電平(CS也為低)時，C8051F040就選中CP2200，即CP2200的內部地址空間0x0000～0x0 FFF的外部映射地址為0x8000～0x8FFF。
CP2200發送數據包：通過使用自動寫(AutoWrite)寄存器將數據裝載到發送緩沖區，并向內部存儲器TXGO寫1來發送數據包。一旦發送完成，會產生數據包已發送中斷，通知C8051F040。CP2200接收數據包：當MAC接收被使能且接收緩沖區未滿時，包接收會自動進行。一旦收到數據包，就會產生包接收中斷通知主機。主機可以用自動讀(AutoRead)接口讀取數據包。
2．2 CAN部分電路
C8051F040已經集成CAN控制器，電路只需1個CAN總線收發器。這里使用TI公司的SN65HVD230收發器。由于SN65HV230收發器具有強電磁干擾下寬共模電壓范圍的差動接收能力、交叉線保護、過熱保護、失地保護、過壓保護等卓越特性，所以設計中省去了高速光耦6N137以簡化電路設計，如果需要增強抗干擾能力，也可在C8051F040和SN65HV230之間增加2個高速光耦6N137，以滿足CAN的高速率通信。在CANH與CANL引腳各串聯1個5 Ω電阻與總線相連以起到限流作用。
3 軟件設計及協議轉換
在充分遵循以太網和CAN協議的基礎上，設計軟件程序，實現以太網數據與CAN數據之間的協議轉換與轉發。在本設計中，CAN與以太網都采用接收中斷，把數據包先存入緩沖區，然后進一步分析數據。在數據接收時，不允許接收新的數據和中斷，直到數據完全接收后，才將接收緩沖區釋放。在數據發送時，先確認發送緩沖區空閑才寫入數據。由于兩者都有內部的發送和接收緩沖區，主程序的主要任務就是實現數據的轉發以及通訊的握手協議。若定義，由CAN數據轉發為以太網數據，稱為上行通訊；由以太網數據轉發為CAN數據，稱為下行通訊。
相對于CAN總線的傳輸速率，本電路的以太網傳輸速率要高10倍，緩沖區大小也差很多。因此在下行通訊中，需要完成CAN數據的拆包和重新打包任務，屬較慢的操作，采用定時查詢方式發送。在上行通訊中，直接轉發CAN接收到CP2200發送緩沖區。
3．1 CAN總線程序
1)CAN總線發送任務 當以太網有新的數據轉發給CAN時，主程序通知此任務運行。讀出CP2200接收緩沖區中的數據到內存緩沖區，然后分成不大于8字節的數據包，增加CAN協議包頭，送入C8051F040的發送緩沖區。
此任務耗時最長。CAN發送任務收到主程序的運行通知，開始讀取CP2200的接收緩沖區數據到內存，然后采用查詢發送方式，把數發送到C8051F040的發送緩沖區。在查詢過程中，如果C8051F040正處于發送中，將任務等待10 ms，然后再查詢一次，直到發送成功。
2)CAN總線接收任務 當CAN有數據接收，則將數據直接送人CP2200的發送緩沖區，并通知其工作。此任務很少占用時間。在轉發過程中，由于CAN每次數據只有8字節，而CP2200的發送緩沖區有2 K，CP2200的發送不影響CAN的接收。所以CAN接收中斷只需在本程序將CAN數據送入CP2200的發送緩沖區后就可打開。
3．2 以太網程序模塊
以太網接口模塊主要實現CP2200的驅動函數，主要包括初始化函數、幀發送函數和幀接收函數。
1)CP2200的初始化模塊 CP2200的初始化是進行CP2200寄存器的配置。CP2200占用C8051F040的外部RAM的地址，外部存儲器接口(EMIF)被設置在高端口(端口47)，EMIFLE(XBR2·1)位被設置為0。然后依次進行下面的設置：配置端口引腳的輸出方式為推挽方式；配置對應EMIF引腳的端口鎖存器為休眠態，設置為邏輯‘1’；選擇地址線和數據線的非復用方式；選擇存儲器模式為不帶塊選擇的分片方式：設置與片外存儲器或外設接口的時序。初始化時按以下步驟進行：等待復位引腳電平升高；MCU通過中斷請求信號得到振蕩器是否完成初始化；MCU查詢INT0來確定CP2200自身的初始化是否完成；禁止那些主處理器不監視或不處理的事件的中斷；初始化物理層；用IOPWR寄存器使能所需要的活動(Ack)、連接(Link)LED；初始化媒體訪問控制器(MAC)；配置接收過濾器。
2)以太網數據的發送接收模塊 C8051F040的外部中斷0和定時器0用于TCP／IP協議棧。由于C8051F040的處理速度、內部集成的資源有限，而TCP／IP協議種類繁多，不可能集成所有的TEP／IP協議，所以，使用裁剪后的TCP／IP協議。結合項目的實際需要，本設計中裁剪后的協議棧包括IP協議、ARP協議、ICMP協議、TCP協議。由于TCP協議是基于連接的協議，在正式收發數據前，必須和對方經過3次對話，建立可靠的連接，而且當數據從A端傳到B端后，B端會發送一個確認包給A端，所以，TCP協議適用于對可靠性要求較高的數據通信系統。而UDP協議是面向非連接的協議，不與對方建立連接，直接就把數據包發送過去，當數據從A端傳到B端后，B端不會發送一個確認包給A端，此協議適用于對可靠性要求不高的通信系統。由于該系統應用于在線數字識別系統，可靠性要求高，所以，該系統采用了TCP協議。
4 結束語
本文描述了一種CAN數據與以太網數據轉換器的設計原理與電路構成。創新點在于：電路設計使用高度集成化的網絡接口芯片CP2200和集成CAN控制器的C8051F040，在不降低效率的同時，有效地節省空間與資源。在遵循CAN與以太網協議的基礎上，通過通訊的握手協議和簡化的以太網協議，實現了以太網數據與CAN數據的轉發，順利地解決了以太網的高速性與CAN的低速率，以及兩者數據包之間的大小矛盾，能夠保證數據的完整和協議的可靠。本轉換器可廣泛應用于廠礦、油田等監控設施的改進。