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摘要：设计一种用于煤矿井下监控系统的CAN总线到以太网网关。该网关采用S3C6410作为核心处理器，通过以太网控制芯片DM9000A与以太网相连，CAN总线数据收发采用MCP2515控制器，其通过SPI总线与核心处理器通信极大地简化了电路的设计。该网关可以快速简单组网，能够实时采集、传递和处理数据，适用于多种工作场合，运行稳定，效果良好。
关键词：CAN总线；网关；以太网；S3C6410；DM9000A
1009-3044（2013）20-4601-05
我国的煤炭开采主要源于地下，井下环境十分恶劣，井下作业的安全系数较高，瓦斯、煤尘、温度、湿度、电磁干扰对电机、通风和排水设备的影响，都可能对安全生产成构成危害；因此设计一种通用的能对井下各种环境参数进行实时、准确、稳定的监控系统对于煤矿安全生产十分重要。矿井监控系统是保证煤矿安全生产的重要措施，能够实时监控井下各种环境参数，如瓦斯浓度、温度、湿度、粉尘浓度和各种设备运行参数等；并能将各种采集参数进行实时的处理和上传；在发生故障或事故时间能够自动报警并采取相应的有效措施。
本文设计了一种基于ARM的矿用CAN/Ethernet网关节点。除完成井下各种传感器节点采集的数据通过CAN总线上传到嵌入式网关节点和经过分析和处理的数据通过Ethernet网上传到井上远端怎么写作器；另外，该网关节具有优质的人机界面和数据暂存能力。
CAN总线具有很强的抗干扰能力，可挂载节点多大110个，并且总线上节点数不过载可以随时增加新的CAN节点，而不需重新编排网络，最远传输距离可达10km；基于以上优点和矿井内部的环境因素，CAN总线使用在矿井监控系统具有明显的优势。
CAN总线是一种多主总线，作为设备互联总线型控制网络，CAN协议最大的特点就是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码；CAN总线与Ethernet网的区别还在于对通信冲突的处理方式不同，基于以上原因决定二者数据帧不同因而不能直接传输，需要中间网关对数据转换。
另外，CAN总线网络最大传输速率为1Mbps，而Ethernet网一般为10Mbps以上，为解决速度匹配问题，可采用：（1）在网关上使用较大的RAM，作为数据缓存器；（2）限制Ethernet网的传输数据量，能够及时被CAN总线接收。
ARM微控制器负责对CAN控制器和Ethernet网控制器进行控制。为控制内部有TCP/IP通信协议和CAN通信协议，完成CAN总线协议和Ethernet网协议转换，从而实现两种接口数据的透明传输。Ethernet网接口电路完成上传网关节点处理的数据到远端怎么写作器，或接受远端的数据。CAN总线接口电路接受底层子节点采集的数据，或传输处理器的命令。存储器用来暂时存储分析处理过的CAN类型数据。LCD提供可视化平台，可以更容易的了解数据信息。其他接口电路作为网关的调试和运行的辅助端口使用。
MCP2515是一款独立的控制器局域网协议控制器，完全支持CAN协议V2.0B技术规范，最大通讯速率达到1Mbps；MCP2515能发送和接受标准和扩展数据帧以及远程帧；自带两个验收屏蔽寄存器和六个验收滤波寄存器，可以过滤掉不想要的报文，因此减少了主控芯片的开销；三个发送缓冲器，具有优先级设定及发送终止功能；通过SPI串行外设接口与主控芯片通信，支持（0，0） 和（1，1）运行模式，最高速率达10MHz[3]。
S3C6410内部有2个SPI模块，系统设计时将MCP2515作为从设备连接到S3C6410的SPI1接口，电路如图3所示。本设计采用S3C6410外部中断6作为中断引脚，在MCP2515的中断处理函数中，通过SPI接口访问MCP2515内部相关寄存器来确定具体中断事件，并对其进行处理。
MCP2551是一款可容错的高速CAN总线器件，可作为CAN协议控制器和物理总线的接口；可以为CAN协议控制器提供差分接收能力，完全符合ISO11898标准[4]。MCP2551把CAN控制器生成的数字信号转换成为适合总线传输的差分信号，差分信号具有很强的抗干扰能力，适于矿井内部的干扰；MCP2551的RS引脚决定信号的传输模式，本设计使MCP2551工作在斜率控制模式。
DM9000A的工作原理为：系统上电后对DM9000A的NCR、ISR等寄存器进行初始化配置，之后进入数据接收等地状态；当处理器想Ethernet网发送数据时，先将数据打包封装，之后通过16bit总线按字节发送到DM9000A的数据缓冲区，数据信息填充到内部相关寄存器，发送使能命令后，DM9000A自动将数据进行MAC组帧并发送；当接收到Ethernet网数据时，首先检测其合法性，然后将正确的数据帧缓存到内部RAM，并发送中断处理信号使核心处理器接收处理数据。
1） CAN控制器初始化
MCP2515正常运行之前必须进行初始化，这需要使其工作在配置模式下。在上电对MCP2515进行复位，使其寄存器和缓存器恢复到默认状态。核心处理器通过SPI总线对CAN控制器的寄存器进行配置完成初始化，可以完成通信速率、中断模式、屏蔽滤波和验收滤波、收发缓冲器的基本配置等。通信速率配置的同时还要设定对总线信号采样的时间点，在配置模式下对MCP2515配置完成之后将其还原到正常模式。
2） CAN数据发送模块
核心处理器将采集到的数据打包成CAN数据帧格式，然后进行数据发送。在MCP2515内部具有三个发送缓冲器，每个缓冲器占用14字节的SRAM，在发送数据时首先判断缓冲器是否空闲，然后载入数据到相应寄存器。在优先级判别之后发送高优先级的数据，并把发送结果返回。数据发送流程如图5所示。
3） CAN数据接收模块
接收模块负责节点报文的接收，接受方式有中断方式和查询方式，由于在煤矿监控系统中，实时性要求很高，因此采用中断方式。节点在软件复位配置完成后切换到正常模式，此时接收缓冲区被清空，控制器开始监视总线上的数据传输。当检测到起始帧将报文载入缓冲器MAB，判断报文有效性，并发送中断请求。数据接收的流程如图6所示。
数据收发是实现网络驱动的两个关键。在系统上电之后，首先要对DM9000A进行初始化配置，使网口处于数据收发等待状态，能够随时传输数据。DM9000A内部RAM地址0000H～0BFFH是发送缓冲去，用来存放发送数据包。该部分空间被分为两个缓存区1和缓存区2。数据发送流程如下：
对于实时性数据采用中断模式发送，首先核心处理器将数据传送到DM9000A的发送缓存区1，并将数据字节数存入数据包长度寄存器，然后请求发送数据，同时数据缓存区2被填充，并且将数据字节长度写入数据包长度寄存器，当数据缓存区1发送完毕开始发送数据缓存区2的数据，依次发送完毕，中断状态寄存器ISR的PTS位置0，核心处理器对其标志位进行清除以便新的数据帧发送。
2）数据接收
DM9000A的接收缓存区采用环形结构，初始化之后起始地址为0C00H，每个接收的数据包都包含有CRC校验域，数据域，4字节包头域[8]。首部4个字节依次是01H，状态，长度低字节和长度高字节。其含义为：第一个字节用于检测接收缓冲区是否有数据，如果是01H表示有数据，是00H表示无数据，其他表示时需对DM9000A进行一次软件复位；第二个字节存储以太网帧状态，可用来判断所接收帧是否正确；第
4 结论
该设计是一种基于ARM的CAN总线与Ethernet网互联的网关软硬件实现方法，主要用于对煤矿井下环境参数信息进行传输和处理，可以实现现场总线和工业以太网接口与井上怎么写作器监控设备进行实时通信。该系统组网简单，适合多种工作场合，能够实时采集、传输和处理数据，运行稳定，控制设备多，对煤矿安全生产有重要意义。
参考文献：
王志秦.基于DSP+ARM的煤矿井下环境监控系统的设计[J].煤炭技术，2011，30（3）：150-152.
李楠，周洁敏，黄宁.CAN总线与以太网连接方法研究[J].工业控制计算机，2007，20（1）：19-20.
[3] Microchip Technology.MCP2515 DataSheet[M].Microchip，US： Microchip Technology，2005.
[4] Microchip Technology.MCP2551 DataSheet[M].Microchip， US： Microchip Technology，2005.
[5] 倪启彦，石建波.TMS320C6713与DM9000A的接口设计与实现[J].微型机与应用，2011，30（4）：21-22.
[6] 温阳东，石明刚，朱敏.基于DM9000A和LPC2468的嵌入式以太网接口设计[J].合肥工业大学学报，2011，34（5）：674-678.
[7] DICOM Semiconductor.DM9000A DataSheet[M].Taiwan，China：DICOM，2005.
[8] 徐洪建.基于DM9000A的网络接口设计[J].现代电子技术，2012，35（12）：19-21.
关键词：CAN总线；网关；以太网；S3C6410；DM9000A
1009-3044（2013）20-4601-05
我国的煤炭开采主要源于地下，井下环境十分恶劣，井下作业的安全系数较高，瓦斯、煤尘、温度、湿度、电磁干扰对电机、通风和排水设备的影响，都可能对安全生产成构成危害；因此设计一种通用的能对井下各种环境参数进行实时、准确、稳定的监控系统对于煤矿安全生产十分重要。矿井监控系统是保证煤矿安全生产的重要措施，能够实时监控井下各种环境参数，如瓦斯浓度、温度、湿度、粉尘浓度和各种设备运行参数等；并能将各种采集参数进行实时的处理和上传；在发生故障或事故时间能够自动报警并采取相应的有效措施。
本文设计了一种基于ARM的矿用CAN/Ethernet网关节点。除完成井下各种传感器节点采集的数据通过CAN总线上传到嵌入式网关节点和经过分析和处理的数据通过Ethernet网上传到井上远端怎么写作器；另外，该网关节具有优质的人机界面和数据暂存能力。
1 系统整体设计
由于矿井内部复杂的环境和严重的干扰，因此监控系统的条件要求十分苛刻。系统设计整体结构如图1所示。系统整体结构分为：CAN总线测控网络，嵌入式网关和Ethernet网管理网络3个部分。CAN总线具有很强的抗干扰能力，可挂载节点多大110个，并且总线上节点数不过载可以随时增加新的CAN节点，而不需重新编排网络，最远传输距离可达10km；基于以上优点和矿井内部的环境因素，CAN总线使用在矿井监控系统具有明显的优势。
CAN总线是一种多主总线，作为设备互联总线型控制网络，CAN协议最大的特点就是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码；CAN总线与Ethernet网的区别还在于对通信冲突的处理方式不同，基于以上原因决定二者数据帧不同因而不能直接传输，需要中间网关对数据转换。
另外，CAN总线网络最大传输速率为1Mbps，而Ethernet网一般为10Mbps以上，为解决速度匹配问题，可采用：（1）在网关上使用较大的RAM，作为数据缓存器；（2）限制Ethernet网的传输数据量，能够及时被CAN总线接收。
2 网关硬件设计
嵌入式网关的硬件组成主要由：ARM、Ethernet网接口、CAN总线接口、高速存储器、JTAG口、LCD接口和电源等组成，其系统硬件结构框如下图2所示。ARM微控制器负责对CAN控制器和Ethernet网控制器进行控制。为控制内部有TCP/IP通信协议和CAN通信协议，完成CAN总线协议和Ethernet网协议转换，从而实现两种接口数据的透明传输。Ethernet网接口电路完成上传网关节点处理的数据到远端怎么写作器，或接受远端的数据。CAN总线接口电路接受底层子节点采集的数据，或传输处理器的命令。存储器用来暂时存储分析处理过的CAN类型数据。LCD提供可视化平台，可以更容易的了解数据信息。其他接口电路作为网关的调试和运行的辅助端口使用。
2.1 CAN接口电路设计
本文采用三星的S3C6410处理器，是一款基于ARM11的16/32位RISC指令集为处理器，但内部不带CAN总线控制器，因此需要外部扩展CAN总线接口电路。本设计使用Microchip公司的MCP2515和MCP2551分别作为CAN总线控制器和收发器组成电路。MCP2515使用SPI接口交换数据，极大的简化了电路的设计。CAN接口电路原理图如图3所示。MCP2515是一款独立的控制器局域网协议控制器，完全支持CAN协议V2.0B技术规范，最大通讯速率达到1Mbps；MCP2515能发送和接受标准和扩展数据帧以及远程帧；自带两个验收屏蔽寄存器和六个验收滤波寄存器，可以过滤掉不想要的报文，因此减少了主控芯片的开销；三个发送缓冲器，具有优先级设定及发送终止功能；通过SPI串行外设接口与主控芯片通信，支持（0，0） 和（1，1）运行模式，最高速率达10MHz[3]。
S3C6410内部有2个SPI模块，系统设计时将MCP2515作为从设备连接到S3C6410的SPI1接口，电路如图3所示。本设计采用S3C6410外部中断6作为中断引脚，在MCP2515的中断处理函数中，通过SPI接口访问MCP2515内部相关寄存器来确定具体中断事件，并对其进行处理。
MCP2551是一款可容错的高速CAN总线器件，可作为CAN协议控制器和物理总线的接口；可以为CAN协议控制器提供差分接收能力，完全符合ISO11898标准[4]。MCP2551把CAN控制器生成的数字信号转换成为适合总线传输的差分信号，差分信号具有很强的抗干扰能力，适于矿井内部的干扰；MCP2551的RS引脚决定信号的传输模式，本设计使MCP2551工作在斜率控制模式。
2.2 Ethernet网接口电路设计
本设计Ethernet网控制器选用DICOM公司的DM9000A快速以太网控制器，芯片集成MAC层，配有标准10M/100M自适应接口；内置16K字节的SRAM用作接受发送的FIFO缓存；完全支持IEEE802.3u规格，支持IEEE802.3x全双工流控制模式；支持8/16位两种主机工作模式；支持TCP/IP加速源于：初中英语论文www.udooo.com
减轻CPU负担，提高整机效能[5]。本设计的电路图如图4所示，DM9000A的EECS引脚保持默认的悬空状态，从而工作在16位模式；另外与核心处理器的连接主要包括16位数据传输端口SD0-SD15、中断请求端口INT、命令端口CMD、读写命令端口IOR和IOW、片选引脚CS以及复位端口PWRST#。 DM9000A实现Ethernet网媒体介质访问层（MAC）和物理层（PHY）的功能，包括MAC数据帧的组装/拆分与收发、地址识别、CRC编码/校验、MLT-3编码器、接受噪声抑制、输出脉冲形成、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正等；通过内部寄存器配置可以选择网络的单双工模式、网络的传输速率10/100Mbps[6]。DM9000A外部引脚CMD为命令引脚，当CMD=0时，主机接口用作地址端口，当CMD=1，主机接口用作数据端口。地址端口的内容为数据端口的寄存器地址；在访问任何寄存器之前，寄存器的地址必须保存在地址端口中[7]。DM9000A的工作原理为：系统上电后对DM9000A的NCR、ISR等寄存器进行初始化配置，之后进入数据接收等地状态；当处理器想Ethernet网发送数据时，先将数据打包封装，之后通过16bit总线按字节发送到DM9000A的数据缓冲区，数据信息填充到内部相关寄存器，发送使能命令后，DM9000A自动将数据进行MAC组帧并发送；当接收到Ethernet网数据时，首先检测其合法性，然后将正确的数据帧缓存到内部RAM，并发送中断处理信号使核心处理器接收处理数据。
3 网关软件设计
3.1 CAN总线接口通信模块
CAN总线接口模块软件设计分为控制器初始化、数据发送和接受三部分，基于以上的划分能够完成CAN模块的基本数据通信。1） CAN控制器初始化
MCP2515正常运行之前必须进行初始化，这需要使其工作在配置模式下。在上电对MCP2515进行复位，使其寄存器和缓存器恢复到默认状态。核心处理器通过SPI总线对CAN控制器的寄存器进行配置完成初始化，可以完成通信速率、中断模式、屏蔽滤波和验收滤波、收发缓冲器的基本配置等。通信速率配置的同时还要设定对总线信号采样的时间点，在配置模式下对MCP2515配置完成之后将其还原到正常模式。
2） CAN数据发送模块
核心处理器将采集到的数据打包成CAN数据帧格式，然后进行数据发送。在MCP2515内部具有三个发送缓冲器，每个缓冲器占用14字节的SRAM，在发送数据时首先判断缓冲器是否空闲，然后载入数据到相应寄存器。在优先级判别之后发送高优先级的数据，并把发送结果返回。数据发送流程如图5所示。
3） CAN数据接收模块
接收模块负责节点报文的接收，接受方式有中断方式和查询方式，由于在煤矿监控系统中，实时性要求很高，因此采用中断方式。节点在软件复位配置完成后切换到正常模式，此时接收缓冲区被清空，控制器开始监视总线上的数据传输。当检测到起始帧将报文载入缓冲器MAB，判断报文有效性，并发送中断请求。数据接收的流程如图6所示。
3.2 Ethernet网接口通信模块
1）数据发送数据收发是实现网络驱动的两个关键。在系统上电之后，首先要对DM9000A进行初始化配置，使网口处于数据收发等待状态，能够随时传输数据。DM9000A内部RAM地址0000H～0BFFH是发送缓冲去，用来存放发送数据包。该部分空间被分为两个缓存区1和缓存区2。数据发送流程如下：
对于实时性数据采用中断模式发送，首先核心处理器将数据传送到DM9000A的发送缓存区1，并将数据字节数存入数据包长度寄存器，然后请求发送数据，同时数据缓存区2被填充，并且将数据字节长度写入数据包长度寄存器，当数据缓存区1发送完毕开始发送数据缓存区2的数据，依次发送完毕，中断状态寄存器ISR的PTS位置0，核心处理器对其标志位进行清除以便新的数据帧发送。
2）数据接收
DM9000A的接收缓存区采用环形结构，初始化之后起始地址为0C00H，每个接收的数据包都包含有CRC校验域，数据域，4字节包头域[8]。首部4个字节依次是01H，状态，长度低字节和长度高字节。其含义为：第一个字节用于检测接收缓冲区是否有数据，如果是01H表示有数据，是00H表示无数据，其他表示时需对DM9000A进行一次软件复位；第二个字节存储以太网帧状态，可用来判断所接收帧是否正确；第
三、四字节存储以太网帧长度；后继字节是有效数据。
在数据接收时，通过DM9000A的设备接口数据到缓冲区，再通过块设备接口将数据发送到用户缓冲区。当有数据接收到时，会激活中断怎么写作子程序，中断怎么写作子程序再将数据读入数据队列，同时将到来数据进行校验，数据正确将发送回复信号。4 结论
该设计是一种基于ARM的CAN总线与Ethernet网互联的网关软硬件实现方法，主要用于对煤矿井下环境参数信息进行传输和处理，可以实现现场总线和工业以太网接口与井上怎么写作器监控设备进行实时通信。该系统组网简单，适合多种工作场合，能够实时采集、传输和处理数据，运行稳定，控制设备多，对煤矿安全生产有重要意义。
参考文献：
王志秦.基于DSP+ARM的煤矿井下环境监控系统的设计[J].煤炭技术，2011，30（3）：150-152.
李楠，周洁敏，黄宁.CAN总线与以太网连接方法研究[J].工业控制计算机，2007，20（1）：19-20.
[3] Microchip Technology.MCP2515 DataSheet[M].Microchip，US： Microchip Technology，2005.
[4] Microchip Technology.MCP2551 DataSheet[M].Microchip， US： Microchip Technology，2005.
[5] 倪启彦，石建波.TMS320C6713与DM9000A的接口设计与实现[J].微型机与应用，2011，30（4）：21-22.
[6] 温阳东，石明刚，朱敏.基于DM9000A和LPC2468的嵌入式以太网接口设计[J].合肥工业大学学报，2011，34（5）：674-678.
[7] DICOM Semiconductor.DM9000A DataSheet[M].Taiwan，China：DICOM，2005.
[8] 徐洪建.基于DM9000A的网络接口设计[J].现代电子技术，2012，35（12）：19-21.