协议转换网关的设计

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
Abstract
With the development of science and technology, the fieldbus technology is playing more and more important role in all areas. W ith its real-time, reliable, low cost, easy to use, fieldbus technology is widely used on site in the control layer.In contrast to the other fieldbus, CAN bus is the easiest and most inexpensive price,but its performance was not worse than any other fieldbus.In practical application,RS485 is widely used in most of the controllers and Industrial Communication Device.Therefore,in order to connect these devices to the fieldbus control network, it is necessary to design the gateway between field bus and the RS485.
In this paper, we designed the gateway between CAN bus and RS485. By analysing the application of fieldbus technology,we put forward the control system model based on industrial network gateway.We used AT89S51 and SJA100 to design the gateway hardware,and developed the gateway software.Finally,after software testing,the data exchange between the CPU and RS485 was achieved.
Keywords: Fieldbus;CAN;RS485;Gateway
目录
1 绪论 (1)
1.1课题研究的重要意义 (1)
1.2网关 (2)
1.2.1 网络互连设备 (2)
1.2.2工业控制中网关的应用和研究 (3)
1.3现场总线 (4)
1.3.1 现场总线的发展现状和趋势 (4)
1.3.2 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)
2.2.1 基于网关的网络化控制系统结构 (9)
2.2.2 控制系统中网关的需求分析 (10)
3 CAN-S485协议转换网关的设计 (12)
3.1CAN协议规范 (12)
3.2CAN报文规范 (13)
3.3主要器件介绍 (13)
3.3.1 CAN控制器SJA1000简介 (13)
3.3.2 CAN收发器PCA82C250简介 (16)
3.3.3 单片机AT89S51简介 (17)
3.3.4 RS485收发器MAX485简介 (19)
3.4CAN-RS485协议转换网关设计 (20)
3.4.1 基本原理 (20)
3.4.2 硬件设计 (20)
3.4.3 软件设计 (21)
4 试验调试 (27)
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C2PCB图 (45)
附录D 程序 (46)
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
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
[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
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。

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
离，使通道之间透明，使得一个网络工具可以在网络上任何地点对网络上的其它节点进行操作，整个系统的安装、检测、诊断、维护都非常方便。

由于现场总线的实时、可靠、低成本、使用方便等特点，使其在控制现场层得到广泛的应用，与之相关的各种网关也随之在工业控制的各个领域得到广泛的研究与应用。

如CAN-RS232网关在电力系统远程抄表系统中的应用，LonWorks现场总线的网关在19K型客车网络化控制中的应用[2]。

同时，国内的很多公司和科研院校也加入到现场总线网关的研究与开发中来，表1.1列举了国内几家参与现场总线网关研究与开发的公司和科研院校。

表1.1 国内几家参与现场总线网关研究的公司和院校
中国北方集团四方车辆研究所CAN网关等产品的设计开发
上海工业自动化仪表研究所LonWorks网关等产品的设计开发
广州致远电子有限公司基于CAN总线的网关、中继器产品设计开发
武汉大学基于CAN、LonWorks总线网关的设计与研究
南京理工大学基于LonWorks总线网关的设计与研究
1.3 现场总线
1.3.1 现场总线的发展现状和趋势
现场总线是20世纪80年代中期发展起来的一种先进的控制技术，被誉为20世纪90年代工业控制领域的一场革命。

与其他工业控制网络相比，现场总线采用串行的双向的数字通信方式，具有实时性好、稳定性高等特点，迅速发展成为工业控制网络中使用最广泛的通信网络，为工业自动化底层现场设备之间、现场设备与控制系统之间架起了信息化的网络桥梁。

然而，由于技术、经济和政治等方面的原因，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完成。

很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。

目前现场总线市场有着以下的特点：
1、多种现场总线并存
据资料分析，世界上已出现各式各样的现场总线100多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种，有些已经在特定的应用领域中显示了各自的特点和优势，表现了较强的生命力,如RobertBosch公司的CAN，Echelon公司的LonWorks，现场总线基金会FF（Fieldbus Foundation）,德国西门子公司Siemens的ProfiBus，PhenixContact公司的InterBus，Rosemounr公司的HART，丹麦ProcessData 公司的P-net，美国的DeviceNet与ControlNet等等。

这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有80%左右的市场。

2、各种总线都有其应用的领域
每种总线大都有其应用的领域，比如FF、PROFIBUS-PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域；LonWorks、PROFIBUS- FMS、DevieceNet适用于楼宇、交通运输、农业等领域；DeviceNet、PROFIBUS-DP适用于加工制造业。

至今还没有一种现场总线可以满足所有要求，用户不得不根据自己的需要选择不同的现场总线设备。

因此，多种现场总线标准并存的现状还将持续下去。

在这种新形势下，新一代分布式网络控制系统将必须要考虑多种现场总线的集成，将工业生产现场的各种现场总线智能设备集成到一个完整的、统一的、开放的系统中，以适应市场上多种现场总线并存的局面和用户的实际应用需求[3]。

1.3.2 主流现场总线简介
1.3.
2.1 LonWorks现场总线
LonWorks现场总线是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。

该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。

基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型(1，2，7层)，即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。

FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。

后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。

FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。

1.3.
2.2PROFIBUS总线
PROFIBUS是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。

由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA组成了PROFIBUS系列。

DP型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。

FMS意为现场信息规范，PROFIBUS-FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。

而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准。

该项技术是以西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。

它采用了OSI模型的物理层、数据链路层。

FMS还采用了应用层。

传输速率为9.6kbps～12Mbps，最大传输距离在12Mbps时为100m，1.5Mbps时为400m,可用中继器延长至10km。

其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。

最多可挂接127个站点。

可实现总线供电与本质安全防爆。

1.3.
2.3基金会现场总线
基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）。

其前身是以美国Fisher-Rosemount 公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制定的ISP协议，以及以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制定的World FIP协议。

1994年这两大集团合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。

基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。

H1的传输速率31.25kbps，通信距离可达1900m（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。

H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。

物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。

FF物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。

另外，传输速率为100Mbps的HSE（High Speed Ethernet——高速以太网）也正在FF中发展。

基金会现场总线的主要技术内容包括有：FF通信协议；用于完成开放互联模型中第2～7层通信协议的通信栈（Communication Stack）;用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设备描述字典；用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块，实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。

1.3.
2.4CAN总线
最早由德国Bosch公司推出的CAN总线，又称控制局域网，主要应用于汽车内部强干扰环境下电器之间的数据通信。

它也基于OSI参考模型，采用了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了实时性。

数据链路层与以太网相似，采用载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）机制，最多可连接110个节点。

其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信，各节点可以随时发送消息。

传输介质为双绞线、同轴电缆或光纤，通信速率与总线长度有关。

CAN总线采用短消息报文，当节点出错时可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。

这种总线规范已被国际标准化组织制定为国际标准，在工业现场测控领域和楼宇自动化得到了广泛应用[3]。

1.4本论文的主要工作
本课题着眼于现场总线技术的应用，在分析基于网关的网络化控制系统结构的基础上，设计开发了CAN-RS485协议转换网关。

所做的工作主要有以下几个方面：
1、通过对现场总线技术的应用现状的分析，建立基于网关的工业网络化控制系统结构模型。

2、研究并开发了CAN总线与RS485协议转换网关的硬件。

3、完成了CAN总线与RS485网关的软件设计开发，并调试CPU与RS485间的通信，实现简单数据的交互。

2基于网关的网络化控制系统模型
2.1现有控制系统存在的不足
在现有控制中，控制系统应该与企业的经营战略相联系，必须将控制系统集成到整个企业系统中。

企业的这种管理模式客观上要求信息网络与控制网络的一体化，两者分离必将会阻碍信息的上行下达，降低企业的生产管理效率。

目前的控制系统虽然在不同的动静态方面满足了一定控制的要求，但还是存在一些问题，为系统的应用和推广带来了很大的难度。

主要表现在以下几个方面：
1、企业上下信息的集成
根据美国著名信息咨询集团GartnerGroup和美国先进制造研究中心AMR等组织的调查和统计，现有的控制系统中存在着一个极为突出的问题：在企业的经营管理计划层和底层控制层之间存在着“鸿沟”，即上层的管理决策层和底层的现场控制层之间信息很难实时共享。

2、通用性
制造过程管理和控制一般是与具体生产方式和设备类型紧密相关的，传统的控制系统大多是面向功能，生产方式包含在功能之中，因此很难适应多种生产方式/混合生产方式，往往是不同的企业，甚至是不同的车间都不一样，也就是说不具备通用性，为企业的流程重构和企业间资源共享带来了很大的困难。

3、控制信息的动态和实时性
在现有的控制系统中，执行模块或传统的车间控制器实际上完成的只是计划的派工单及物料的需求和消耗控制，主要是基于BOM（Bill of Material）的静态计划和控制，没有将它们与现场的动态信息融为一体，实现动态、实时的控制[4]。

2.2 基于网关的网络化控制系统模型
在激烈的市场竞争中，现代企业非常关心如何在将企业生产和运营的费用降低的同时又能使管理者有效的监管企业的生产和运营，工业控制网络的建立就是为了解决这一问题的。

在一个控制网络中，企业要把经营决策、管理、计划、调度、现场控制等紧密
地联系在一起，进行综合信息处理，
就必须对企业的生产情况进行实时地监管：各车间要对生产过程进行有效的自动化控制，管理层要实时地获得第一手的生产数据等等。

2.2.1 基于网关的网络化控制系统结构
工业控制网络的目标是，削减通向自动化层次路径上的复杂程度各异的连接，以跨越不同的总线技术，并借助以太网建立统一的通信。

通过前面对现有控制网络系统的分析，从各个控制环节的功能角度出发，基于各种通信协议转换的网关，我们将工业控制网络分为现场控制层、生产监控层、生产管理层、生产决策层四个层次，通过各层之间的信息共享，构成较为完整的网络化控制系统模型[5]，其系统结构如图2.1所示。

图2.1 基于网关的网络化控制系统结构图
1、现场控制层
现场控制层包括各种现场节点和设备，如现场智能传感器、传动装置和执行机构等现场设备，负责现场生产设备按照预先编制好的程序或上层传递下来命令进行监控。

其主要技术是现场总线技术，将现场总线连接起来成为很多不同的网段，现场节点通过其
自带的现场总线接口与现场总线相连。

由于各种生产条件的不同，可能用到了几种现场总线技术，在它们之间可以用相应的网关互连。

避免由于一方的网关出现故障而造成的网络的瘫痪问题，提高了网络的可靠性。

2、生产监控层
生产监控层主要包括各种网关和在底层简单的现场控制器，负责生产过程的监控，以及相应的数据的采集、上报和下传，保证现场设备准确高效地运行。

现场控制器通过网关与控制网络相连，可以在现场底层实行简单的控制。

生产监控层的网关肩负着使底层的现场总线网络与上层的网络相连的任务，它主要负责两方面的功能：一是接收现场总线上的数据并对其进行解释，向上传送；二是把上层网络发来的命令和数据转换为现场总线的数据格式送往现场节点。

这一层由于要负责上下两层的数据通信，所以这一层设计的优劣对整个系统的正常运行至关重要。

3、生产管理层
生产管理层主要负责维护系统历史数据库、更新系统实时数据库，根据生产监控层传来的控制信息，进行优化配置，同时接收生产决策层的生产决策、了解企业内部的生产计划。

4、生产决策层
生产决策层一方面根据企业内部的生产过程，执行企业内部的物流管理，确定企业的整体生产调度；另一方面，可以通过网络服务器与外部Internet相连，方便远程客户对控制网络的各种信息查询、故障监控，与分布比较分散的企业的营销单元之间进行信息交互，收集市场信息，以便决策[5]。

2.2.2控制系统中网关的需求分析
可以看到，上述控制网络是建立在串行通信、以太网和各种现场总线的混合通信之上的，通过网关实现各层次的互连，实现计算机对现场设备、仪表的操作。

网关采用一种相当于隧道技术的方式在各网段之间传输数据，当上层网络向现场仪表、设备发送信息时，它首先基于一种协议将信息发给网关，然后由网关根据相应的总线协议把数据发给相应的仪表设备。

反过来，当现场的仪表或设备要往上层的网络发送数据时，它需要经过网关的协议转换，再发送给相应的上层网络。

下面对系统中各网关的需求进行分析。