基于C8051F040的以太网-CAN转换电路设计

2．1 以太网部分电路

CP2200通过HR9011105A连接到以太网上。HR9011105A是HanRun公司生产的集以太网隔离变压器、RJ-45接口和指示灯为一体的网络连接器。CP2200的收发信号分别连接到HR9011105A的收发针脚，同时前者的LED控制信号LINK、ACK也都接到后者相应针脚。其中，LINK是连接成功指示灯，ACK是数据传输指示灯。CP2200与C8051F040的连接，首先数据和地址总线、读写信号相连接，其次CP2200的中断引脚INT与C8051-F040的INT0引脚连接在一起，其片选CS阵脚接C8051F040的A15脚。CP2200的发送缓冲区地址为0x0000～0x07FF，接收缓冲区地址前部分与发送缓冲器重合，具体地址为0x0000～0x0FFF。当A15为低电平(CS也为低)时，C8051F040就选中CP2200，即CP2200的内部地址空间0x0000～0x0 FFF的外部映射地址为0x8000～0x8FFF。

CP2200发送数据包：通过使用自动写(AutoWrite)寄存器将数据装载到发送缓冲区，并向内部存储器TXGO写1来发送数据包。一旦发送完成，会产生数据包已发送中断，通知C8051F040。CP2200接收数据包：当MAC接收被使能且接收缓冲区未满时，包接收会自动进行。一旦收到数据包，就会产生包接收中断通知主机。主机可以用自动读(AutoRead)接口读取数据包。

2．2 CAN部分电路

C8051F040已经集成CAN控制器，电路只需1个CAN总线收发器。这里使用TI公司的SN65HVD230收发器。由于SN65HV230收发器具有强电磁干扰下宽共模电压范围的差动接收能力、交叉线保护、过热保护、失地保护、过压保护等卓越特性，所以设计中省去了高速光耦6N137以简化电路设计，如果需要增强抗干扰能力，也可在C8051F040和SN65HV230之间增加2个高速光耦6N137，以满足CAN的高速率通信。在CANH与CANL引脚各串联1个5 Ω电阻与总线相连以起到限流作用。

3 软件设计及协议转换

在充分遵循以太网和CAN协议的基础上，设计软件程序，实现以太网数据与CAN数据之间的协议转换与转发。在本设计中，CAN与以太网都采用接收中断，把数据包先存入缓冲区，然后进一步分析数据。在数据接收时，不允许接收新的数据和中断，直到数据完全接收后，才将接收缓冲区释放。在数据发送时，先确认发送缓冲区空闲才写入数据。由于两者都有内部的发送和接收缓冲区，主程序的主要任务就是实现数据的转发以及通讯的握手协议。若定义，由CAN数据转发为以太网数据，称为上行通讯；由以太网数据转发为CAN数据，称为下行通讯。

相对于CAN总线的传输速率，本电路的以太网传输速率要高10倍，缓冲区大小也差很多。因此在下行通讯中，需要完成CAN数据的拆包和重新打包任务，属较慢的操作，采用定时查询方式发送。在上行通讯中，直接转发CAN接收到CP2200发送缓冲区。

3．1 CAN总线程序

1)CAN总线发送任务 当以太网有新的数据转发给CAN时，主程序通知此任务运行。读出CP2200接收缓冲区中的数据到内存缓冲区，然后分成不大于8字节的数据包，增加CAN协议包头，送入C8051F040的发送缓冲区。

此任务耗时最长。CAN发送任务收到主程序的运行通知，开始读取CP2200的接收缓冲区数据到内存，然后采用查询发送方式，把数发送到C8051F040的发送缓冲区。在查询过程中，如果C8051F040正处于发送中，将任务等待10 ms，然后再查询一次，直到发送成功。

2)CAN总线接收任务 当CAN有数据接收，则将数据直接送人CP2200的发送缓冲区，并通知其工作。此任务很少占用时间。在转发过程中，由于CAN每次数据只有8字节，而CP2200的发送缓冲区有2 K，CP2200的发送不影响CAN的接收。所以CAN接收中断只需在本程序将CAN数据送入CP2200的发送缓冲区后就可打开。

3．2 以太网程序模块

以太网接口模块主要实现CP2200的驱动函数，主要包括初始化函数、帧发送函数和帧接收函数。

1)CP2200的初始化模块 CP2200的初始化是进行CP2200寄存器的配置。CP2200占用C8051F040的外部RAM的地址，外部存储器接口(EMIF)被设置在高端口(端口47)，EMIFLE(XBR2·1)位被设置为0。然后依次进行下面的设置：配置端口引脚的输出方式为推挽方式；配置对应EMIF引脚的端口锁存器为休眠态，设置为逻辑‘1’；选择地址线和数据线的非复用方式；选择存储器模式为不带块选择的分片方式：设置与片外存储器或外设接口的时序。初始化时按以下步骤进行：等待复位引脚电平升高；MCU通过中断请求信号得到振荡器是否完成初始化；MCU查询INT0来确定CP2200自身的初始化是否完成；禁止那些主处理器不监视或不处理的事件的中断；初始化物理层；用IOPWR寄存器使能所需要的活动(Ack)、连接(Link)LED；初始化媒体访问控制器(MAC)；配置接收过滤器。

2)以太网数据的发送接收模块 C8051F040的外部中断0和定时器0用于TCP/IP协议栈。由于C8051F040的处理速度、内部集成的资源有限，而TCP/IP协议种类繁多，不可能集成所有的TEP/IP协议，所以，使用裁剪后的TCP/IP协议。结合项目的实际需要，本设计中裁剪后的协议栈包括IP协议、ARP协议、ICMP协议、TCP协议。由于TCP协议是基于连接的协议，在正式收发数据前，必须和对方经过3次对话，建立可靠的连接，而且当数据从A端传到B端后，B端会发送一个确认包给A端，所以，TCP协议适用于对可靠性要求较高的数据通信系统。而UDP协议是面向非连接的协议，不与对方建立连接，直接就把数据包发送过去，当数据从A端传到B端后，B端不会发送一个确认包给A端，此协议适用于对可靠性要求不高的通信系统。由于该系统应用于在线数字识别系统，可靠性要求高，所以，该系统采用了TCP协议。

4 结束语

本文描述了一种CAN数据与以太网数据转换器的设计原理与电路构成。创新点在于：电路设计使用高度集成化的网络接口芯片CP2200和集成CAN控制器的C8051F040，在不降低效率的同时，有效地节省空间与资源。在遵循CAN与以太网协议的基础上，通过通讯的握手协议和简化的以太网协议，实现了以太网数据与CAN数据的转发，顺利地解决了以太网的高速性与CAN的低速率，以及两者数据包之间的大小矛盾，能够保证数据的完整和协议的可靠。本转换器可广泛应用于厂矿、油田等监控设施的改进。

作者：中国电子科技集团 车行 郭建洲 来源：电子设计工程