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基于WIFI和以太网的数据传输技术分析.pdf

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ABSTRACTWith the development of the Internet today,Ethernet communicationstechnology and people’S daily lives,and has become the mainstream ofination communication,SO the WIFI.In the field of industrial control,theCAN chi id birth,the development of more than two decades,technology hasimproved steadily,car from the initial starting areas,and now deep into everyaspect of our lives.ThiS article in order to achieve Ethernet and CAN buscommunications has made a lot of research.In the article beginning on the Ethernet,CAN bus and WIFI in thedevelopment and appl ication at home and abroad,as well as three kinds ofcommunication protocols and technical specifications for a detaileddescription and analysiS,while,according to the user’S request,through UARTAs a bridge,proposed design.Key part in the middle of the article,use with TCP/IP embedded chipC02128SEC,realized UART to Ethernet functionuse WIFI module C02128 achievedthrough Ethernet to WIFI functionusing ATMEL AVR MEGAl28 chip of ATMEL companydesigned UART to CAN functionality and stability of each module iS tested andanalyzed.Which also involves the choice from the chip,the hardware circuitimplementation, ATi and SO the Ethernetguage describes the preparation ofthe development process and s.The rear of the article,focusing on the system tested,and the problemsthat remain unfinished work and the analysiS and proposed solutions and furtherresearch directions.ThiS article design several modules,such as the installation of a MAX232level converter chip,you can easi ly achieve RS232/RS485 to Ethernet/WIFI/CAN functional ity and simple setup can be achieved several communicationsapproach combined with a high useful.KeywordsCAN Field Bus, Ethernet, WIFIⅡ目录摘 要.ABSTRACT.第一章绪论1.1引言.1.1.1以太网的发展及应用前景.1.1.2现场总线CAN的发展及应用前景1.1.3 WIFI的发展及应用前景.1.2课题背景21.3国内外研究状况并提出解决方案21.4论文的研究内容以及论文结构2第二章基础概念42.1现场总线CAN的技术规范的介绍.42.1.1简介及基本概念52.1.2传输格式与编码62.2以太网协议的介绍和实现82.2.1 Tcp/Ip协议的实现82.2.2 IP层及相关协议实现9第三章硬件电路设计一基于C02128芯片.1l3.1硬件系统的整体构架.113.2模块的分析和选择.123.3硬件电路设计..1 53.3.1 UART转以太网153.3.2 UART转WIFI.1 53.3.3 UART转CAN.153.3.4其他电路16第四章功能实现..184.1 UART转以太网通信的实现..1 84.2 UART转WIFI通信的实现224.3 UART转CAN通信的实现..25第五章系统测试与总结305.1系统的对比..305.2数据通信测试.305.2.1 RS232转CAN通信测试.3 l5.2.2 RS232转WIFI通信测试325.2.3 RS232转以太网稳定性测试34III5.3网络的架设.365.4未完成的工作.385.4.1客户环境中各被控制模块的协议的实现。..385.5总结..38附录...................40参考文献。41j改谢.......431.1引言1.1.1以太网的发展及应用前景第一章绪论昴一早三百下匕在Intemet的飞速发展的今天,以太网通信技术和人们的日常生活息息相关,而且已经成为当前主流的信息通信方式。同时因为其速度快、互操作性好、扩展性强、价格便宜等优点,得到了嵌入式领域的广泛认同和应用。比如说,当一台设备需要随时进行监控,诊断,测试和配置时,可以利用网络功能,无地域限制的实时监控,以完成这项工作。因此,市场对嵌入式以太网设备的需求空前高涨,深入到以太网通信研究领域的公司也越来越多,在国外,很多公司推出了整合以太网协议功能的CPU,如以色列的Connection one公司推出的C02128芯片,该芯片在内部集成网络应用包,可供嵌入式系统开发。由此可见,人们生活中的各种设备,都有可能连上局域网,甚至是广域网,将生活在网络中,一个嵌入式系统和Intemet相结合的时代,也就是业内称为物联网的时代。1.1.2现场总线CAN的发展及应用前景CAN自诞生之日起【2J,发展了二十多年,技术日益完善,该技术从最初的汽车领域起步,至现在深入到生活的方方面面,证明了CAN的潜质,也展现了CAN的未来。尤其是21世纪后,CAN又有了长足的进步首先,CAN的控制器芯片品种繁多,同时支持CAN功能的综合性芯片也迅速增长,甚至已经成为了部分嵌入式系统的必备单元,其次,世界范围内的同行们,在积极的推广CAN的高层协议的制定和推广,目的在于让现场总线产品实现国际标准化,实现不同厂家产品的互联通用。在此基础上,我国也逐渐认识和接纳了以CANopen和DeviceNet为代表的规范。目前的社会各个领域,尤其是工业控制领域中,CAN总线应用已经非常的广泛,其在过程控制自动化,制造加工自动化等自动控制领域,以及远程数据采集,医疗领域都有着广泛的应用。由于各种领域的情况各不相同,同时底层的硬件设备由多家厂商分别控制和开发,所以,在利益的驱使下,这种现场总线的标准至今都难以统一起来,使得该领域中共存着几十种现场总线的标准。这些标准都有其各自的特点,同时各种标准也在其厂家的推动下,在各自的领域形成了优势。所以,今后的很长时间内,将面对几大总线模式并存的现象里,在某些复杂的环境中,一个网络里甚至会有几种总线标准的设备通过各自的网管和设备连接在一起,实现控制和数据共享的情况。1.1.3 WIFI的发展及应用前景这几年来,WIFI在人们生活中迅速普及起来,尤其是无线路由器的广泛使用,促进了无线网络的发展,已经成为了人们生活中不可或缺的一部分,由此可见WIFI正在日益普及,将在未来几年内迅速发展。‘WIFI作为高速有线接入技术的补充,因为其可移动性,价格低廉等特点受到人们的青睐,同时,还可实现局部区域内的高速无线接入,发挥WIFI无需布线、投资少等优点,WIFI技术在宽带应用上将作为高速有线接入技术的重要补充也得到人们的认可。1.2课题背景根据工厂要求如下1在不更改现有设备的基础上,增加CAN接口设备与INTERNET的连接功能,2无需设置,或仅需简单的设置就可以将设备加入网络,实现即插即用。3成本低廉,开发周期短。4由于工厂环境复杂,布线成本高。部分位置考虑采用WlFI来进行网络的连接。5要兼容工厂内部控制和采集通讯协议。1.3国内外研究状况并提出解决方案国内在国内很少有企业生产出专用的CAN.ENTHERNET的设备,即使有,也是需要对现有设备进行软件或者硬件上的改造。同时也有一部分厂家是作为国外代理在国内销售,因此造价高昂,成本过高,不符合厂商要求。而针对WIFI的转换设备更是难寻[31。国外大部分产品都是基于ARM7的嵌入式网络开发的基础上实现的,速度快,稳定性强,但是价格高,售后困难,不利于大规模使用和推广。同时,上位机软件主要为英文,同时部分设备不兼容,需要重新设计软件,开发周期长。根据客户需求,列出系统的原理框图如图1.1所示。1.4论文的研究内容以及论文结构第一章中,阐述了以太网,CAN总线以及WIFI在国内外的发展和应用情况,同时,根据用户的要求,提出自己的方案,并对方案进行了简单的介绍和结构分解。第二章中,对三种通讯方式的协议和技术规范进行了详细的介绍和分析,同时,提出了解决方法。第三章中,使用UART作为中间协议转换,提出了集成网络协议的专用芯片进行2了开发,分别实现CAN to UART,UART to ENTHERNET,ENTHERNET to WIFI,并对系统的开发流程进行了说明。第四章中,对该系统进行了详细的比对和选择。以及对仍存在的问题进行了分析,并提出了解决方案和下一步研究方向。第五章中,对系统仍存在的问题和未完成的内容进行了分析和介绍,提出了下一步研究的方向。图1.1系统原理框图t第二章CAN总线技术与以太网协议介绍2.1现场总线CAN的技术规范的介绍在1991年的9月,Boosch公司应对CAN总线技术的大范围的应用,规范和统一了通讯协议,并颁布的CAN总线技术规范。这个技术规范分为A、B两大部分,其中A部分在以往的CAN总线标准中规定CAN报文的格式,而B部分则明确了标准帧和扩展帧这两个不同类型的帧。随后,ISO标准组织在1994年10年,制定并发布了高速通信控制器局域网CAN的国际标准ISOll898,实现了工业控制局域网络的标准化,推动了整个行业的标准化进程【l】。为了保证任意两个CAN总线设备之间的相互通讯的兼容性,这其中包括电器特性和数据转换的解释。需要按照ISO/OSI的参考模型,将CAN进行细分,化为不同的层次。这其中首先标明的就是数据链路层,在数据链路层中,含有两个不同的子层,一个是逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。在这两个子层中,逻辑链路控制子层的主要工作是对远程数据的发送和接收请求做出反应,同时为数据的传输提供服务,确定报文中哪些数据是被验收的。介质控制子层是用来解释MAC层的传输规则的,故障的乔定,错误的检测,以及报文数据的仲裁执行,当要开始接受和发送数据时,都需要从这一层开始工作的。同时,对于报文控制帧的结构实现,也是在这部分完成的【41。按照ISO的标准,再往下一层是物理层,物理层的主要作用是实现物理层面的通讯的实现,在一个网络中的不同节点之间有多种电路方面的特性,但是物理层对于所有的节点是相同的,图1.1详细介绍了各层的作用。2.1.1简介及基本概念构;CAN具有以下特性1可以确定报文的优先级的高低;2CAN通讯可以保证和控制延迟的时间;3CAN通讯的设置方式非常灵活;4在时间同步后,可以进行多点接收;5可以保证整个CAN通讯系统内数据的一致性;6在整个CAN总线上是无主从结构的,但是可以通过标识符来实现多主机结47CAN总线具有错误检测以及标定错误报文的功能;8同时,在总线处于空闲的阶段,CAN总线收发控制器就会自动将破坏的报文重新发送;9CAN总线可以自动屏蔽节点的永久性错误【51。2.1.1简介及基本概念图2.1 CAN的ISO/OSI参考模型的层结构CAN具有以下特性10可以确定报文的优先级的高低;11CAN通讯可以保证和控制延迟的时间; 。12CAN通讯的设置方式非常灵活;13在时间同步后,可以进行多点接收;14可以保证整个CAN通讯系统内数据的一致性;15在整个CAN总线上是无主从结构的,但是可以通过标识符来实现多主机结构;16CAN总线具有错误检测以及标定错误报文的功能;17同时,在总线处于空闲的阶段,CAN总线收发控制器就会自动将破坏的报文重新发送;18CAN总线可以自动屏蔽节点的永久性错误【51。2.1.2传输格式与编码CAN传输采用报文传输,一共有2种不同的帧格式,其不同之处在于标识符域的长度不同含有11位标识符的帧称之为标准帧;含有29位标识符的帧称之为扩展帧【6】。报文传输的帧也各有不同,报文一共有4个不同类型的帧一种是数据帧其作用是将发送数据,一种是远程帧,其由总线单元发出,用来请求总线再次发送具有同一标识符的数据帧的,另一种帧是错误帧,当CAN总线上的节点检测到总线上的任何作用的时候,就会向总线上发出错误帧,用来告知网络上的其他节点。最后一种是过载帧,其作用是在相邻的数据帧之间提供通讯延时,以保证数据的正确传输。在这几种帧的格式中,数据帧和远程帧含有标准帧及扩展帧2种格式。在本论文中只对数据帧进行了探讨。数据帧由以下7个不同的位域组成其具体的名称参见下图其中数据域的长度可以为00.报文的数据帧结构如图2.2所示。’ 应答域载帧帧结尾图2.2报文的数据帧结构为了研究多种协议间的数据通信,必须对每种协议有深入的了解,下面就对数据帧的各部分作简单的介绍·帧起始在帧起始的部分,其是由一个显性位组成的,首先检测总线的状态,如果其处于空闲时,才会被允许发送信号。●仲裁域仲裁域对于两种不同的帧格式时,其结构也是不同的。在标准的格式里,仲裁域是由ll为标识符和RTR位组成,数据帧标准格式中的仲裁域如下图所示6}骂l 11位标识符 离l善1苫l DLC图2.3数据帧标准格式中的仲裁域结构在扩展格式里,仲裁域包括29位标识符、SRR位、IDE、RTR位。数据帧扩展格式中的仲裁域如图2.4所示在以往的CAN规范标准中,保留位成为IDE,这里为了保证兼容性,同时方便区分两种不同的格式,本文中也这样表示。仲裁域 e控制域{数据域f图2.4数据帧扩展格式中的仲裁域结构①标识符标识符和帧的格式一样被分成了两类,两种不同的标识符的区别在于标准格式的标识符其长度只有11位,而扩展格式的标识符有28位,11位的基本ID以及18位的扩展ID,而标准帧的标识符其实就是这11位的基本ID,在基本ID中,规定了报文的优先级等信息‘7】②RTR位RTR就是远程发送请求位,其在IDE位和SRR位之间,根据帧的类型的不同而不同,例如,当RTR位于数据帧的情况下,RTR就是显性的,当其为隐性的,就是在远程帧中。同时,在扩展格式时,扩展ID的发送要位于其后。⑧仲裁域结构中的SRR的作用主要是用于仲裁,当两种不同的帧发生了冲突,同时,两种帧的标识符也是相同的情况下,帧来对数据进行处理。这里需要注意的是,会由仲裁位按照标准帧的优先级高于扩展SRR在两种格式中都为隐形位④最后还有一位是IDE位,其只属于扩展格式中的仲裁域,以及标准格式中的控制域。其区别在于一个为显性,一个为隐性。’·控制域控制域的结构如图所示,同样,其也根据两种不同的格式而有所不同,如在标准格式中,会包含数据长度的信息,但扩展格式中有数据长度的信息,也有两个保留位。仲裁域} 控制域 j数据域IDE/rl r0 DLC3 DLC2 DLCl DLC0 或CRC域保留位 数据长度代码图2.5控制域结构数据长度代码DLC如表2.1所示。7
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