网关协议转换网关的设计word

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摘要

随着科学技术的发展现场总线技术在各领域中得到越来越广泛的应用。现场总线技术以其实时、可靠、低成本、使用方便等特点在控制现场层得到广泛的应用。其中CAN总线与其它几种现场总线比较而言是最容易实现、价格最为低廉的一种但其性能并不比其它现场总线差。在实际应用中大多数控制器和设备通信所使用的仍是传统的RS485。因此为了将这些设备纳入现场总线的控制网络研究现场总线与RS485之间的协议网关很有必要。

本文主要设计了CAN总线与RS485之间的网关。通过对现场总线技术的应用现状的分析建立了基于网关的工业网络化控制系统结构模型主要采用AT89S51单片机和SJA100控制器开发设计了网关硬件完成CAN-RS485协议转换网关的软件设计开发并调试实现了CPU与RS485之间的数据交互。

关键词现场总线 CAN RS485 网关

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Abstract

With the development of science and technology, the fieldbus technology isplaying more andmore important role in all areas. With its real-time, reliable,lowcost, easy touse, fieldbus technology iswidely usedon site in the controllayer. In contrast to the other fieldbus, CAN bus is the easiest and mostinexpensive price,but its performance was not worse than any other fieldbus. Inpractical application,RS485 is widely used in most of the controllers andIndustrial Communication Device.Therefore, in order to connect these devices tothe fieldbus control network, it is necessaryto design the gateway betweenfieldbus and the RS485.

In this paper, we designed the gatewaybetweenCANbus and RS485. By analysingthe application of fieldbus technology,we put forward the control system modelbased on industrial network gateway.We used AT89S51 and SJA100 to design thegateway hardware,and developed the gateway software.Finally,after softwaretesting, the data exchange between the CPU and RS485 was achieved.

Keywords: Fieldbus;CAN;RS485;Gateway

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目录

1绪论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.1课题研究的重要意义..................................................................................................................................................1

1.2网关.................................................................................................................................................................................2

121网络互连设备 2122工业控制中网关的应用和研究 3

1.3现场总线........................................................................................................................................................................4

131 现场总线的发展现状和趋势 4132主流现场总线简介 5

1.4本论文的主要工作......................................................................................................................................................7

2基于网关的网络化控制系统模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

2.1现有控制系统存在的不足.........................................................................................................................................8

2.2基于网关的网络化控制系统模型...........................................................................................................................8

221基于网关的网络化控制系统结构 9222控制系统中网关的需求分析 103 CAN-S485协议转换网关的设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

3.1 CAN协议规范............................................................................................................................................................12

3.2 CAN报文规范............................................................................................................................................................13

3.3主要器件介绍.............................................................................................................................................................13

331 CAN控制器SJA1000简介 13332 CAN收发器PCA82C250简介 16333单片机AT89S51简介 17334 RS485收发器MAX485简介 19

3.4 CAN-RS485协议转换网关设计.............................................................................................................................20

341基本原理 20342硬件设计 20343软件设计 214试验调试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

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5可靠性设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

5.1硬件设计......................................................................................................................................................................32

5.2软件设计......................................................................................................................................................................32

结论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

致谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36

附录A英文原文. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

附录B中文翻译. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

附录C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44

图C1 原理图...................................................................................................................................................................44

图C2 PCB图..................................................................................................................................................................45

附录D 程序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46

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1 绪论

1. 1 课题研究的重要意义

在现代企业中,企业网络将成为连接企业内部各车间、部门并与外部交流信息的重要基础设施在市场经济与信息社会中网络对企业的综合竞争能力起着至关重要的作用。企业的生产线、生产车间、控制室、上层管理部门之间迫切需要信息共享。在底层的设备控制现场采用工控机等现场控制设备对生产线的生产过程进行管理。在工控机的通讯中 由于串行通讯方式使用线路少、成本低而被广泛采用。常用的串行接口标准有RS-232 RS-485等。要实现工控机与现场总线之间的连接通过工控机就能对以现场总线组网的各生产线设备、仪表进行控制这就需要设计现场总线到各种串行接口的网关。

在生产控制底层之间虽然现有的各种有影响的现场总线能够在底层与局域网互连但都局限于某种特定的现场总线。如果监控现场根据需要就要为每种现场总线提供到监控室的网络布线而且每种总线由于网络传输介质、传输速度等的不同这样会造成资源的大量浪费。在现场总线国际标准制定的过程中共有8种现场总线同时成为IEC现场总线标准的子集而且还有其它的有影响力的现场总线。可见多种总线共存的局面在一个很长时间内存在仍是无法避免的。为了适应各种不同现场总线协议必须实现各种现场总线控制系统的集成。解决的办法之一就是在不同网段之间直接采用网关设备将它们互连。这样既简化了控制网络结构减少了工业现场的布线 同时又提高了控制网络的可靠性为底层的控制网络提供了更大的灵活性。

在生产管理层上随着计算机、 网络、通信等技术的发展信息共享在工业控制领域引起了自动化系统结构的深刻变革。工业现场控制信息不仅要流动于控制层而且也需要渗透到工厂自动化的各个层次包括与企业信息网的融合。把现在广泛应用的以太网技术应用到控制网络中实现企业控制网络与信息网络的无缝连接实现全厂范围内的信息共享可以大大提高企业的生产效率。同时可以通过企业信息网与互连网的连接把现场总线通过企业信息网接入互连网在世界上的任何地方监视并控制这些现场以及现场设备的运行状况和各种参数而不必亲临现场可以节约大量费用而且设备供应商也可以通过网络对自己的设备进行维护。把以太网技术应用到工业控制中实现控制网络和数据网络的融合成为控制系统结构的一个新的发展方向不仅可以为企业的生产

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管理带来很多方便提高企业的生产效率而且为控制网络走向全开放性、全分布式的网络结构奠定了坚实的基础。在现场总线和以太网连接的实现上同样也需要现场总线到以太网的网关

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[1]

。

可见随着控制网络实现功能的越来越复杂利用现场总线与其它一些总线的互连网关把现场总线技术融入到企业整个网络系统中与其它的总线、接口进行连接有效地解决现场测控网络数据广泛实时共享实现企业从现场控制层到管理层的全面的信息集成问题 已经成为了一个重要的课题。

1.2网关

1.2. 1网络互连设备

网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互联是最复杂的网络互连设备仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连也可以用于局域网互连。 网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。在使用不同的通信协议、数据格式或语言甚至体系结构完全不同的两种系统之间 网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同 网关对收到的信息要重新打包 以适应目的系统的需求。 同时 网关也可以提供过滤和安全功能。大多数网关运行在OSI 7层协议的顶层--应用层。

网络互连从通信协议的角度可分为四个层次在物理层使用中继器在不同的网段之间复制位信号在数据链路层使用网桥在局域网之间存储或转发数据帧在网络层使用路由器在不同的网络间存储转发分组信号在传输层及传输层以上使用网关进行协议转换提供更高层次的接口。 目前根据功能的不同主要有三种网关

1、协议网关

协议网关通常在使用不同协议的网络区域间做协议转换。这一转换过程可以发生在OSI参考模型的第2层、第3层或2、 3层之间。 但是有两种协议网关不提供转换的功能安全网关和管道。 由于两个互连的网络区域的逻辑差异 安全网关是两个技术上相似的网络区域间的必要中介。如私有广域网和公有的因特网。

2、应用网关

应用网关是在使用不同数据格式间翻译数据的系统。典型的应用网关接收一种格式的输入将之翻译然后以新的格式发送。输入和输出接口可以是分立的也可以使用同一网络连接。应用网关也可以用于将局域网客户机与外部数据源相连这种网关为本地主机提供了与远程交互式应用的连接。 将应用的逻辑和执行代码置于局域网中客户端

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避免了低带宽、高延迟的广域网的缺点这就使得客户端的响应时间更短。 应用网关将请求发送给相应的计算机获取数据如果需要就把数据格式转换成客户机所要求的格式。

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3、安全网关

安全网关是各种技术有趣的融合具有重要且独特的保护作用其范围从协议级过滤到十分复杂的应用级过滤。

网关的功能主要有以下几个方面

1、具有协议转换能力。 网关具有从物理层到运输层甚至应用层各层协议转换能力。当然用于不同场合的网关其协议转换的能力可以不同 比如有的只需要负责物理层到运输层的协议转换有的则需要完成物理层到应用层的协议转换。

2、具有流量控制和拥塞控制的能力。对不同工作速率的网络进行互连时需要有某种流量控制机构来控制输入到其他网络上的信息流网关常用的流量控制方式有源站仅在得到允许时才进行传输强制源站减少它们向网络提供的负荷。

3、具有在各个网络之间可靠传送信息的能力。为了提高互连的网络的可靠性常采用一下一些措施防止分组在若干个网关中无限制的循环 向源站或者其他网关发送错误报告对分组从源站到目的站之间的路径进行跟踪提供网间信息的重传功能。

4、具有路由选择功能。

5、具有将分组分段和组装的能力。

网关的用途 网关可以用于以下几种场合的异构型网络的互连。

1、异构型局域网互连。可以利用网关将几种完全不同的局域网互联起来。

2、局域网与WAN互连。局域网与WAN互连比较至少其低3层协议不相同 因此它们属于异构型网络可以用网关实现互连。

3、 WAN与WAN互连。主要用于不同类型的WAN之间的互连。

1.2.2工业控制中网关的应用和研究

近年来随着现场总线技术和控制网络技术的兴起控制系统向着分散化、网络化、智能化的方向发展。要使采用不同总线的系统实现互操作最理想的方法是所有不同厂商的设备使用相同的通信协议但现实是工业控制中存在着大量的通信协议并且各个厂商都有各自的利益不可能用一种通信协议统一所有协议 因而 目前实现控制系统互操作的比较实际的方法是使用网关。 网关能将采用各种不同协议的控制网段相互连接使得它在控制领域中的应用也越来越广泛。如在分布式控制网络中各种现场总线控制网络通过网关或路由器互连网关工作方式是在网络中进行逻辑隔离而非物理隔