嵌入式CAN总线与以太网冗余网关的设计与实现

摘要

现代船舶自动化面向大型化、高速化、智能化迅速发展，因此对船舶的自动控制要求也越来越高。CAN总线因为其较高的可靠性、网络安全性、实时性和低成本性在船舶机舱等强干扰的环境中具有广泛的应用。尽管CAN总线具有诸多优点，但CAN总线不适合远距离数据传输及远程控制。而以太网稳定的通信质量、自纠错功能以及开放性强、传输距离不受限制等优点可以弥补CAN总线的缺点。并且以太网的特性也方便多个CAN网络的信息大量集中后的管理。
　　CAN总线与以太网网关是一种CAN总线与以太网之间协议转换的装置，主要作用是实现CAN总线数据与以太网数据的双向透明传输。本文设计并实现了一种在硬件上双路冗余热备份的网关。网关采用分离式多线程的设计方案，以ATMEL-SAM9X25为核心处理器，嵌入式Linux系统为平台，设计了一种采用公共数据交互区的操作方法，将信息交互的热备份冗余方式增加到4种。
　　本文通过研究CAN总线基本原理，结合linux系统的特点，将整个设计方案分为CAN总线传输、以太网传输、公共数据交互区动态管理、故障监测等多个部分。通过建立公共数据交互区以及公共信号量，使多个线程之间协同工作，提高了整个网关的实时性和可靠性，并增加了2种冗余方式。本文各个部分中:CAN总线传输部分实现了波特率设置、屏蔽码设置以及数据传输;以太网传输部分实现了参数设置和数据传输;公共数据交互区部分实现了互斥操作和动态管理;故障检测部分中实现了CAN总线和以太网的故障检测。
　　本文在以太网传输中主要以TCP协议为主，同时支持UDP协议。在此之外，设计实现了用户参数设置模式，通过账户密码验证可以设置网关的相关参数。最后通过Visual C++6.0开发PC端软件对应的动态链接库。
　　最后经过实验验证，本文设计的网关可以完成协议转换，监测网关故障，通过4种冗余方式提高了可靠性，满足船舶相关设备设计规范要求，同时也适用于自动控制的各个领域相关应用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 国内外的研究发展现状

1．2．1 现场总线技术的发展现状

1．2．2 船舶自动化网络介绍及网关的技术发展现状

1．3 本文的主要工作

1．4 本文的章节安排

第2章 CAN总线基本原理与网关的整体架构设计

2．1 CAN总线基本原理和帧格式

2．1．1 CAN总线工作基本原理

2．1．2 CAN总线报文帧格式

2．2 网关的硬件介绍

2．3 网关的框架设计

第3章 网关各部分的具体设计与实现

3．1 公共数据交互区模块

3．1．1 公共数据交互区模块的创建

3．1．2 公共数据交互区模块的读写

3．5．3 公共数据交互区的动态管理

3．2 故障检测模块

3．2．1 CAN总线错误处理

3．2．2 CAN总线故障界定

3．2．3 CAN总线故障检测与判定

3．2．4 以太网的故障检测

3．2．5 故障报错

3．3 CAN总线通信模块

3．3．1 CAN波特率的设置

3．3．2 CAN总线的接收与发送

3．4 以太网通信模块

3．4．1 双网卡的设置与初始化

3．4．2 以太网通信模式

3．5 自动对时功能

3．6 Windows环境动态链接库的设计

3．7 本章小结

第4章 网关功能和性能的测试结果与分析

4．1 网关功能测试结果与分析

4．1．1 4种冗余方式的数据传输测试结果与分析

4．1．2 公共数据交换区动态管理实验结果与分析

4．1．3 故障检测与提示实验结果与分析

4．1．3 自动对时实验结果与分析

4．2 网关性能实验结果与分析

第5章 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介