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2 软件设计
2．1 报文结构
CAN总线与以太网互联的软件设计主要包括从以太网中提取CAN数据和将CAN总线的数据转换成以太网的数据。其中，CAN报文结构可分为两种不同的帧格式，而两种帧格式的区别在于其标识符的长度不同：标准帧中有11位标识符，扩展帧中有29位标识符。本设计中采用的是扩展帧，且在本网关模块收到CAN板卡的报文时，需按上述以太网数据传输报文格式对CAN数据进行封装及打包并通过以太网发送。在此过程中不必对CAN报文的13 Byte数据进行高低位转换和移位处理，采用透明转换方式。便可减少数据解析及处理的时间，并提高了数据在传输过程中的可靠性。

如图3所示，该网关中规定的以太网帧格式包括5部分，按照封装的先后顺序分别为：封装的数据(如本系统中的CAN数据帧等)、自定义UDP首部、标准UDP／TCP首部、IP首部、以太网首部和最终校验。本系统中主要采用的是UDP协议，目的是为了自定义控制字来区别不同类型的报文，包括有：CAN数据报文、时统报文、工作状态请求报文、心跳报文及设备故障诊断信息报文。其中时统报文是在开机时或每30分钟系统发送的对时请求。工作状态报文是在各设备开机或复位并正常工作后自动发送的，还有收到询问报文或状态改变后发送，主要发送时戳和设备ID信息。心跳报文是在各设备开机或复位并正常工作后，每5 s周期发送，作用是通知其所在的网络，是否工作状态正常。设备故障诊断信息报文是当接收到故障诊断请求报文或网关根据CAN板卡数据接收情况，自行检测到网关箱内该板卡故障情况的变化，一般网关在30分钟内未收到参数设置报文中指定的CAN板卡对应节点的数据和远程帧等，可认定此节点故障，并发送故障信息报文。这增添了系统的一些管理信息，根据不同的报文类型完成系统不同的通信功能。自定义UDP封装格式如图4所示。

在自定义UDP封装格式中，字节0～3为固定的帧头信息，用以识别本网关模块的数据报信息，无论是CAN报文、时统报文或工作状态请求报文均使用该格式，若不符合该帧头的数据报网关模块不进行处理。需注意的是，第20 bit开始才是真正的数据，每个信息单元均有各自的序号、标识和长度等信息。其中信元的序号表示该信元在UDP数据报中的位置；标识代表信息单元内报文的类型。
2．2 程序设计
网关模块的主要功能是以太网数据包与CAN数据帧之间的格式相互转换，进而完成以太网和CAN网络间通讯。本模块使用嵌入式μC／OS—II作为操作系统，通过裁剪、移植使其能顺利运行于LPC2294控制器。另外，在系统中移植了TCP／IP协议的核心功能函数，并编写了6个任务函数，使其分工合作实现了模块的各项功能，并通过μC／OS—II系统的任务调度管理机制来进行系统资源的分配。
系统首先建立设备初始化任务Task0，将该任务函数主要完成上电自检，两路CAN故障自检，网口断线检测，本机IP、两路CAN波特率及两路网口等网关参数的初始化。在完成以上工作后，创建5个子任务，按优先级由高到低依次为TaskB、TaskC、TaskF、TaskD、TaskE的5个子任务的具体功能如下：
TaskB：主要功能为接收UDP报文并解析，下发至CAN；若接收到时统报文，按照协议解析，并将时戳信息写入时钟芯片。
TaskC：主要功能为接收TCP报文，按照协议解析并下发到CAN。
TaskD：完成接收CAN1口或CAN2口的数据，根据规定的传输方式将数据封装成报文格式，并发送至以太网。
TaskE：完成接收CAN1口或CAN2口的数据，并按照TCP传输方式，将数据封装并发送到以太网。
TaskF：主要功能为定时发送特殊报文，如：心跳报文、时统报文、工作状态请求报文及设备故障诊断信息报文等，完成网关模块的工作状态检测及参数配置等功能。
5个子任务创建完成后，TaskB和TaskC进入阻塞状态，等待各自的信号量RecUdpQFlag和RecTcpQ一Flag，由于这两个任务的优先级较高，说明网关模块优先转换以太网向CAN总线方向的数据。因此，当以太网中有数据到来时根据报文的类型可得到相应的信号量，TaskB或TaskC立即进入就绪状态等待执行，若当前执行的任务优先级低于这两个任务，TaskB和TaskC可进行抢占执行。当网关模块未收到以太网数据或处理完成后，任务函数TaskF检测模块的定时器，判断是否需要发送工作状态报文和心跳报文等特殊报文。执行完成后，判断CAN节点是否有数据，并选择用UDP或TCP方式发送到以太网，即选择执行TaskD或TaskE，完成CAN向以太网方向的数据传输过程，在此期间允许TaskB和TaskC进行抢占执行。系统通过调度这5个任务函数完成以太网数据包与CAN数据帧间的格式转换与传输，该程序流程如图5所示。

3 测试
将该上位机IP地址设置为192．1．1．11，打开网关参数设置界面对一些参数进行设置，如：网关参数回复IP地址、网关参数回复端口、网关模块IP地址、网关接收端口号和CAN数据目标IP地址等参数。随后将CAN总线数据报文测试软件ZLGCANTest打开，设置CAN总线的波特率为250 khit·s-1，将CAN报文发出后用ZLGCAN—Test、TcpUdp测试工具及EtherPeek NX软件来查看网络的通信情况。图6便是由ZLGCANT est软件所得到的，从图中可知，CAN发送数据的帧类型是扩展帧，帧格式是数据帧，帧ID为0x0000 0000，每个CAN协议中发送8 bit的数据。而图7是通过TcpUdp测试工具得到的数据，并已在图中标出，此报文头由Etherner协议报文头、IP协议报头、UDP协议报头和自定义UDP报头组成，并从自定义UDP报头中的报文标识可判别出CAN报文，而后面的数据正是图6中CAN报文中的13 bit数据，即对CAN报文采用透明转换方式，将CAN网络数据成功发送到以太网。同样方法可测试到以太网中数据也成功发送至CAN。网络中其他类型的报文也同样如此。

4 结束语
文中阐述了以ARM7系列LPC2294为核心的以太网与CAN总线网络互联的通信网关实现过程，概述了本网关中采用的以太网和CAN总线的报文格式及其自定义UDP数据报文的结构。并提出了网关的软、硬件实现方法。通过实验该网关模块实现了以太网与CAN总线间的数据传递，且具有稳定性和较高的可靠性。

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关键词： LPC CAN 以太网