CAN總線與Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

郭琪

摘要：該文深入分析了CAN總線技術(shù)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的技術(shù)特點，采用C8051F043和CC2430的雙MCU結(jié)構(gòu)設(shè)計了CAN/ZigBee網(wǎng)關(guān)，使得 CAN總線和ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了并行交互數(shù)據(jù)的功能。CAN/ZigBee網(wǎng)關(guān)具有兩個接口模塊。CAN總線數(shù)據(jù)通訊使用C語言進(jìn)行編程，完成通訊數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口模塊的軟件開發(fā)以ZigBee協(xié)議棧為基礎(chǔ)。根據(jù)ZigBee的技術(shù)特點，軟件編寫時設(shè)計了地址映射表，以解決ZigBee節(jié)點地址動態(tài)分配給通信帶來的問題并設(shè)計了緩沖區(qū)以保證在兩個不同傳輸速率的網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口模塊的應(yīng)用程序完成了ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)收發(fā)、SPI接口通信以及地址映射表的建立和管理。通過驗證，該文設(shè)計的網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了CAN總線與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，并且數(shù)據(jù)傳輸不受ZigBee節(jié)點地址動態(tài)分配的影響。

關(guān)鍵詞：CAN總線；ZigBee；網(wǎng)關(guān)；數(shù)據(jù)傳輸；節(jié)點地址

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）35-0078-03

1 概述

CAN總線具有非常廣泛的應(yīng)用范圍，具有效率高、可靠性強的特點。CAN總線通信采用數(shù)字信號代替了模擬信號，不僅節(jié)約了連線電纜的成本，而且可以傳遞更多的設(shè)備信息，如設(shè)備狀態(tài)、運行參數(shù)、故障信息等。本文設(shè)計的CAN/ZigBee網(wǎng)關(guān)能夠完成CAN總線和ZigBee網(wǎng)絡(luò)收發(fā)通信， CAN總線實現(xiàn)無線通訊的設(shè)計目標(biāo)。在CAN總線應(yīng)用最為廣泛的汽車電子領(lǐng)域，ZigBee技術(shù)的接入可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動機械或發(fā)動機內(nèi)部的數(shù)據(jù)監(jiān)測，如汽車的輪胎壓力檢測等[1]。針對工業(yè)控制領(lǐng)域，CAN總線也有CANopen和DeviceNet兩個應(yīng)用層協(xié)議并有廣泛的實際應(yīng)用，ZigBee技術(shù)的引入同樣會為其在特殊情況下的應(yīng)用帶來方便。一個高效可靠的CAN/ZigBee網(wǎng)關(guān)能夠彌補CAN總線的通訊限制，增加ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通訊的有效性，為我們的生產(chǎn)、生活帶來更多的便利[2]。

2 CAN/ZigBee網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計方案

本文設(shè)計的CAN與ZigBee網(wǎng)關(guān)采用的是CC2430和C8051F043的雙MCU結(jié)構(gòu)，分別作為CAN協(xié)議和ZigBee協(xié)議的控制芯片，將兩個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收發(fā)以及數(shù)據(jù)處理等操作分開進(jìn)行[3]。CAN與ZigBee網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通訊采用雙向并行模式，應(yīng)用兩個單片機完成數(shù)據(jù)交互總體結(jié)構(gòu)，網(wǎng)關(guān)由CAN總線和ZigBee接口模塊組成。CAN與ZigBee網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口模塊主要完成CAN總線數(shù)據(jù)的收發(fā)，并與ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口模塊實現(xiàn)雙向通信。該模塊選用的片上系統(tǒng)單片機C8051F043內(nèi)部集成了Bosch CAN2.0B控制器，構(gòu)成一個CAN總線節(jié)點，實現(xiàn)對總線數(shù)據(jù)的收發(fā)，單片機C8051F043負(fù)責(zé)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，由芯片TJA1050作為接口，同時該單片機還有晶振電路、電源電路、人機接口電路、USB接口擴(kuò)展電路和JTAG接口電路。USB接口的擴(kuò)展選用USB轉(zhuǎn)RS-232橋接芯片CP2102實現(xiàn)，該接口可用于與上位機進(jìn)行通信，方便后期開發(fā)過程中對網(wǎng)關(guān)軟件進(jìn)行調(diào)試。JTAG接口的擴(kuò)展是為了后期的軟件調(diào)試[4]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口模塊的主要功能包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)的收發(fā)以及與CAN網(wǎng)絡(luò)接口模塊之間的雙向通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口模塊由單片機執(zhí)行數(shù)據(jù)處理，單片機選型為CC2430。該型號是國外公司研制用來解決ZigBee芯片通信的問題。本文選擇的單片機型號具有射頻收發(fā)器和8051控制器，硬件方面具有CSMA/CA擴(kuò)展功能。要實現(xiàn)無線收發(fā)功能，外圍晶振器通過射頻功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，并使用非平衡變壓器提高接收數(shù)據(jù)的有效性。CC2430的外圍電路包括晶振時鐘電路、人機接口電路、復(fù)位電路、EEPROM存儲器擴(kuò)展電路以及調(diào)試接口電路等。CC2430單片機內(nèi)部集成的接口可用于后期的軟件開發(fā)與調(diào)試。

3 CAN/ZigBee網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計方案

3.1 地址映射表的設(shè)計與實現(xiàn)

依據(jù)ZigBee無線通信協(xié)議棧的規(guī)定，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸通過PAN網(wǎng)內(nèi)的短地址實現(xiàn)，該短地址在節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的時候由協(xié)調(diào)器節(jié)點進(jìn)行分配[5-6]。ZigBee可以采用兩種地址分配技術(shù)，分別是：

（1）Distributed Address Assignment Mechanism分布式地址分配技術(shù)

（2）Stochastic Address Assignment Mechanism隨機地址分配技術(shù)

無論采用哪一種地址分配技術(shù)，ZigBee子節(jié)點每次加入網(wǎng)絡(luò)分配到的短地址都不同。因此，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中除了協(xié)調(diào)器的短地址固定為0x0000，其他節(jié)點的地址都不固定。這就導(dǎo)致出現(xiàn)類似下面的問題：

（1）ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點A的短地址為0x1699，節(jié)點B的短地址為0x1697，兩個節(jié)點分別利用短地址在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信。

（2）ZigBee網(wǎng)絡(luò)重建，節(jié)點A和節(jié)點B再次加入網(wǎng)絡(luò)并被分配短地址，節(jié)點A的短地址為0x1697，節(jié)點B的短地址為0x1699。

這樣，節(jié)點A和節(jié)點B在網(wǎng)絡(luò)中的通信就會因前后兩次地址的不同而出現(xiàn)問題。

為了使ZigBee網(wǎng)絡(luò)中向指定節(jié)點的信息發(fā)送正確，在網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計中利用節(jié)點的長地址、短地址和節(jié)點代碼建立一種映射關(guān)系，以實現(xiàn)ZigBee節(jié)點短地址變化后網(wǎng)絡(luò)通信的正確進(jìn)行。在協(xié)議轉(zhuǎn)換中所建立的地址映射關(guān)系如表1所示。

作為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中接收數(shù)據(jù)的報文，網(wǎng)關(guān)之后對接收到的報文進(jìn)行解包、有效數(shù)據(jù)提取等操作，并將其重新打包發(fā)送至ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

3.2 CAN總線接口模塊軟件設(shè)計

CAN總線接口模塊的程序設(shè)計利用C51語言編程實現(xiàn)，編程使用Silicon Laboratories IDE集成開發(fā)環(huán)境。該軟件具有良好的人機界面，可以生成高效的目標(biāo)代碼。

3.2.1 CAN總線接口模塊初始化程序

初始化通過調(diào)用單片機配置子程序config（）、CAN初始化子程序canini（）和SPI配置子程序spi_cfg（uchar spicfg，uchar spickr，uchar spicn）完成。單片機配置子程序中完成對C8051F043內(nèi)部看門狗定時器的設(shè)置、I/O口交叉配置及系統(tǒng)工作時鐘設(shè)置。SPI配置子程序完成SPI通信的時鐘相位和極性的選擇、串行時鐘的設(shè)置以及串行通信中使用到的INT0和SPI中斷的設(shè)置。

所有CAN消息對象初始化完成后，對寄存器CAN Control Register和Bit TimingRegister（波特率控制寄存器）賦值，寄存器CAN Control Register用來設(shè)置CAN的工作模式，Bit TimingRegister設(shè)置CAN的工作時鐘頻率。

3.2.2 CAN總線接口模塊數(shù)據(jù)收發(fā)程序

CAN接口模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)分兩部分完成：CAN總線數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)和SPI數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)。現(xiàn)場總線通過中斷數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。網(wǎng)關(guān)識別到CAN報文后，將其存入接收緩沖區(qū)，再從緩沖區(qū)中讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行SPI轉(zhuǎn)發(fā)。

SPI數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)通過外部中斷INT0的中斷服務(wù)程序完成。由于C8051F043作為SPI主機工作，SPI接口必須由主機啟動進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。CC2430向C8051F043發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過I/O口給C8051F043一個中斷信號，再由C8051F043啟動數(shù)據(jù)傳輸過程。

3.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口模塊軟件設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口模塊軟件設(shè)計采用協(xié)議棧的技術(shù)，通過參考標(biāo)準(zhǔn)的OSI/ISO網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)計協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。OSI/ISO網(wǎng)絡(luò)模型分為七層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。通過優(yōu)化OSI/ISO網(wǎng)絡(luò)模型，修改并重新命名了網(wǎng)絡(luò)模型，協(xié)議棧的每一層網(wǎng)絡(luò)完成不同的任務(wù)，任意兩層之間通過網(wǎng)絡(luò)接口為上一層提供服務(wù)。

3.3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口模塊初始化程序

ZigBee接口模塊的初始化程序主要完成對芯片寄存器、芯片硬件接口、液晶屏和協(xié)議棧的初始化操作。

初始化程序段執(zhí)行后，網(wǎng)關(guān)即完成對CC2430內(nèi)外部資源及的配置，然后使用aplFormNetwork（）函數(shù)搭建網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)搭建完成后，執(zhí)行程序進(jìn)入循環(huán)模式，來完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信功能。

3.3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口模塊數(shù)據(jù)收發(fā)程序

ZigBee接口模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)程序可分為SPI數(shù)據(jù)收發(fā)和ZigBee數(shù)據(jù)收發(fā)兩部分。SPI接口的數(shù)據(jù)接收以中斷方式進(jìn)行。中斷服務(wù)程序每次將收到的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，收到完整的SPI數(shù)據(jù)包后W_Point指向緩沖區(qū)下一數(shù)據(jù)塊。SPI接口的數(shù)據(jù)發(fā)送通過I/O口來控制C8051F043單片機實現(xiàn)。

ZigBee數(shù)據(jù)的收發(fā)通過協(xié)議棧中特定函數(shù)完成。協(xié)議棧運行過程中，程序的循環(huán)執(zhí)行部分會首先選取狀態(tài)機中的通訊數(shù)據(jù)，檢查能否接收ZigBee數(shù)據(jù)，收到相關(guān)數(shù)據(jù)后調(diào)用ZigBee接收子程序。

4 網(wǎng)關(guān)通信的試驗驗證

4.1 試驗方案設(shè)計

本文設(shè)計的CAN/ZigBee網(wǎng)關(guān)所要實現(xiàn)的是在CAN網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的雙向通信，以驗證本文設(shè)計的網(wǎng)關(guān)方案在實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換方面的可行性。根據(jù)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計原理，試驗中ZigBee采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，同時在星形網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有3個RFD節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)的子節(jié)點。CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計采用2+1的模式，即兩個節(jié)點和一個物理總線，網(wǎng)關(guān)作為總線上的一個節(jié)點，另一個設(shè)計為具有收發(fā)能力的CAN節(jié)點。驗證過程采用的試驗網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。其中構(gòu)成CAN節(jié)點的主要芯片為C8051F043單片機和CAN收發(fā)器TJA1050，ZigBee節(jié)點采用的芯片為無線單片機CC2430。

4.2 試驗結(jié)果分析

進(jìn)行網(wǎng)關(guān)通訊性能測試之前，要利用軟件SmartRF?04 Flash Programmer對ZigBee節(jié)點寫入不同的物理地址，之后按前面所述的實驗步驟 1進(jìn)行ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過程。ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建后，利用CAN節(jié)點和ZigBee終端節(jié)點通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相互的數(shù)據(jù)發(fā)送。CAN節(jié)點的數(shù)據(jù)檢驗是經(jīng)過查看Silicon Laboratories IDE的 CAN相關(guān)寄存器實現(xiàn)，CAN節(jié)點接收到數(shù)據(jù)0xAA445566778899F1，與ZigBee節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)一致。通過查看調(diào)試軟件中的數(shù)據(jù)，ZigBee節(jié)點接收到數(shù)據(jù)0xA10xA20x150x160x170x18，與CAN節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)相同。

試驗結(jié)果表明，CAN/ZigBee網(wǎng)關(guān)具有接收和發(fā)送節(jié)點數(shù)據(jù)的功能，同時，網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換完全正確，不存在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換錯誤，下一步將驗證ZigBee網(wǎng)絡(luò)重組后，節(jié)點短地址的重新分配是否對網(wǎng)關(guān)的工作造成影響。通過網(wǎng)關(guān)通信試驗可以看出，CAN/ZigBee網(wǎng)關(guān)能夠完成數(shù)據(jù)傳輸過程中的協(xié)議轉(zhuǎn)換，成功解決不同網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題，處理因不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地址分配的問題，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的100%準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，消除潛在影響。

5 結(jié)論

本文設(shè)計的CAN/ZigBee網(wǎng)關(guān)具有高效的數(shù)據(jù)傳輸能力，能同時發(fā)送和接收相關(guān)數(shù)據(jù)，解決了協(xié)議之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的問題。由于研究時間限制，本文采用簡化方案對CAN/ZigBee網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設(shè)計。在后期的工作中，應(yīng)對網(wǎng)關(guān)軟件程序進(jìn)一步優(yōu)化，提高網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅芎屯ㄐ趴煽啃?，使其完全滿足實際應(yīng)用的需要。

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