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硕士论文-CAN总线与Internet集成的嵌入式DSP解决方案，说明书共103页，47566字.
摘要
现场总线是测量与控制方面的研究热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。CAN总线属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。由于其可靠性好、实时性高，被广泛应用于汽车、航空、工厂等领域。如今随着计算机网络的发展，工业控制的发展方向也从原先的信息孤岛或局部总线向互联网方向发展。因此，如何把计算机网络，特别是以太网应用到工业控制领域，已经引起人们的广泛关注。如果把CAN总线和以太网互联，就能把两者的优点结合起来，扬长避短，就能大大提高控制系统的分布式特性，并将监控范围扩展到更广的空间，进一步推进控制技术向网络化、分散化和开放化发展。
本文以嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ为软件平台，在分析、研究了CAN总线和嵌入式TCP/IP协议栈LwIP的基础上，从应用出发，提出了远程监控系统模型，并实际完成了应用模型的搭建和软硬件的设计。
根据研究目的，以DSP处理器为核心，设计了一套基于CAN总线和以太网的嵌入式网关。依据CAN总线原理和数据传输机制，设计了该研究工作所需要的CAN智能节点，完成了软硬件设计，并组建了CAN网络。通过分析μC/OS-Ⅱ操作系统内核的运行机制、功能组成，完成了其在目标板上的移植；在μC/OS-Ⅱ基础上，实现了TCP/IP协议栈LwIP。设计了CAN-TCP/IP应用程序，测试了CAN数据和以太网数据双向传输的稳定性。编写了PC-Windows下的客户端程序，并利用VB完成了系统上位机控制界面设计。
经过实验测试，开发的系统具备较好的易用性和稳定性，实现了以太网和CAN网络信息双向传递功能。
关键词：CAN 嵌入式系统 μC/OS-Ⅱ TCP/IP LwIP

目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 1
§1.1课题研究的背景和意义 1
§1.2 CAN-TCP/IP系统的国内外发展现状 2
§1.2.1 CAN总线的发展 2
§1.2.2 嵌入式以太网技术的发展 2
§1.3 本文的主要研究内容 3
第二章 嵌入式网关设计的关键技术基础 5
§2.1 CAN总线技术 5
§2.1.1 CAN协议的分层结构 5
§2.1.2 CAN报文的传输格式 6
§2.1.3 CAN总线的特点 8
§2.2 以太网技术 8
§2.2.1 以太网概述 8
§2.2.2 Ethernet V2帧格式 9
§2.3 嵌入式技术 10
§2.3.1 嵌入式系统概述 10
§2.3.2 嵌入式操作系统简介 11
§2.4 嵌入式TCP/IP协议栈LwIP 12
§2.4.1 TCP/IP协议分层结构 12
§2.4.2 LwIP协议栈简介 13
§2.4.3 LwIP协议栈分析 13
§2.4.4 LwIP应用程序接口 16
§2.5 本章小结 17
第三章 测控系统总体结构设计与具体设计方案 18
§3.1 测控系统总体结构设计 18
§3.1.1 测控系统总体架构 18
§3.1.2 测控系统结构的特点 19
§3.2 测控系统设计方案 19
§3.2.1 CAN网络子系统 19
§3.2.2 CAN-TCP/IP协议转换主系统 19
§3.2.3 上位机控制子系统 20
§3.3 本章小结 20
第四章 CAN网络的组建 21
§4.1 CAN网络的构成 21
§4.2 CAN网络节点 22
§4.3 基于89C51单片机的CAN智能节点硬件电路设计 23
§4.3.1 主要器件介绍 24
§4.3.2 具体硬件电路设计 25
§4.4 CAN智能节点的软件设计 26
§4.4.1 CAN初始化程序 27
§4.4.2 数据发送和接收功能的实现 28
§4.5 本章小结 31
第五章 CAN-TCP/IP主系统的硬件设计与实现 32
§5.1 DSP处理器TMS320F2812简介 32
§5.2 系统硬件设计总体框架 33
§5.3 DSP2812外围电路设计与实现 33
§5.3.1 时钟电路与复位电路 33
§5.3.2 DSP系统的电源 35
§5.3.3 JTAG接口电路 36
§5.3.4 存储器电路 37
§5.4 CAN总线接口模块的设计 38
§5.4.1 TMS320F2812内嵌eCAN控制器的功能和特点 38
§5.4.2 CAN接口电路的设计 39
§5.5以太网接口模块的设计 40
§5.5.1 以太网控制芯片简介 40
§5.5.2 以太网接口电路的设计 43
§5.6 硬件系统调试 44
§5.7 本章小结 45
第六章 CAN-TCP/IP主系统的软件设计与实现 46
§6.1 嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ的移植 46
§6.1.1 μC/OS-Ⅱ操作系统移植的条件 46
§6.1.2 μC/OS-Ⅱ操作系统移植的主要工作 46
§6.1.3 OS_CPU.H文件的修改 47
§6.1.4 OS_CPU_C.C文件的修改 49
§6.1.5 OS_CPU_A.ASM文件的修改 51
§6.2 μC/OS-Ⅱ的测试 54
§6.3软件系统体系结构 56
§6.4 LwIP协议栈在µC/OS-Ⅱ上的实现 57
§6.4.1 操作系统封装层的实现 57
§6.4.2 LwIP网络接口 63
§6.4.3 网络设备驱动程序的实现 65
§6.5 主系统中CAN接口通讯程序设计 67
§6.6 主系统总体软件设计 68
§6.6.1 主函数设计 68
§6.6.2 主任务设计 69
§6.6.3 协议转换任务设计 70
§6.7 本章小结 71
第七章 CAN-TCP/IP主系统调试 72
§7.1简单HTTP协议实现及LwIP协议栈的测试 72
§7.1.1 HTTP1.0简介 72
§7.1.2 简单HTTP协议的实现与测试 73
§7.2 CAN协议与以太网的转换测试 76
§7.3 本章小结 77
第八章 上位机控制系统的设计 78
§8.1 上位机子系统总体结构 78
§8.2 通讯模块的网络通信程序设计 78
§8.2.1 socket(套接字)简介 79
§8.2.2 套接字编程原理 79
§8.2.3 通讯模块通信程序设计 82
§8.3 本章小结 84
第九章 总结与展望 85
附录A 协议转换流程图 86
参考文献 87
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 90
致谢 91

本文的主要研究内容
集成CAN总线和Internet的系统是一个两层网络结构，下层是采用CAN总线协议的现场网络，主要功能是完成生产现场各设备的数据采集与控制；上层是采用TCP/IP协议的以太网通讯管理网络，主要功能是对下层的现场设备进行监控。
当前实现这两层网络数据传输的解决方案有：采用专用的CAN-以太网接口芯片，或者采用以太网卡+CAN接口卡+PC机。但这两种方法成本较高，为此，本人设计一种基于DSP的CAN与以太网互联系统，通过在DSP嵌入式系统上实现嵌入式TCP/IP协议，最终实现CAN网络和以太网之间的数据通讯，构成一个远程监控/数据传输的嵌入式系统。
本课题的主要研究对象是联接工业现场CAN总线和局域网(以太网)，实现CAN总线协议和以太网协议解析和转换的嵌入式网关。主要工作内容如下：
1)系统硬件平台的设计，包括整体框架的规划、各模块的电路设计(CAN接口电路、以太网接口电路及DSP外围电路)以及硬件调试；
2)组建CAN网络，实现CAN智能节点的软硬件设计；
3)移植μC/OS-Ⅱ操作系统进行任务管理，移植源码开放的LwIP[35]实现嵌入式TCP/IP协议，两者结合实现数据的接收、发送及CAN网络协议与TCP/IP协议转换等；在局域网内对该系统进行连接测试，看是否能稳定地实现CAN和以太网数据的双向收发传输。
4)设计基于windows socket的上位机通信程序，使客户端通过用户界面实现对CAN网络节点的远程监控。