基于CC2530與CAN總線的異構(gòu)融合網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

潘玲

1.背景

隨著工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動化已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。同時，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時性傳輸要求，數(shù)據(jù)接口的開放性與標(biāo)準(zhǔn)化等要求不斷提高，節(jié)點(diǎn)布設(shè)靈活性要求也越來越高，使得傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場有線通信的解決方案局限性日益突出。 采用無線通信技術(shù)，能節(jié)約投資成本，減少設(shè)備安裝的工作量，解決某些場合下（例如汽車電子領(lǐng)域）無法使用有線通信技術(shù)的局限性問題。但在抗干擾性要求較高、安全性要求較強(qiáng)的場合，有線通信還會繼續(xù)發(fā)揮其主導(dǎo)作用。所以，有線通信方案與無線通信網(wǎng)絡(luò)的融合設(shè)計(jì)，將可能成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的新趨勢。

有線與無線通信網(wǎng)絡(luò)相互連接需要通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)。而無線通信、有線通信解決方案眾多，從眾多方案中找出合適的通信技術(shù)，選擇能夠滿足設(shè)計(jì)要求的嵌入式終端作為網(wǎng)關(guān)，針對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在很大差異的有線通信網(wǎng)絡(luò)和無線通信網(wǎng)絡(luò)之間的連接，確保通信的有效性與可靠性是網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。

由于CAN總線是工業(yè)現(xiàn)場常用總線之一，基于CC2530的無線通信解決方案也得到了廣泛應(yīng)用，將 CAN 與 ZigBee 技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用到某些合適的場合是一個很好的解決方法。因此，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) CAN 和 ZigBee 的混合網(wǎng)絡(luò)是本課題的核心任務(wù)。

2.技術(shù)背景

（1） CAN總線

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network， CAN）的簡稱，是由以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898），是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線

CAN總線上單個節(jié)點(diǎn)的硬件架構(gòu)有兩種方案：

第一種硬件架構(gòu)由 MCU 、CAN 控制器和 CAN 收發(fā)器組成。這種方案采用了獨(dú)立的 CAN 控 制器，優(yōu)點(diǎn)是程序可以方便地移植到其他使用相同 CAN 控制器芯片的系統(tǒng)，缺點(diǎn)是需要占用 MCU 的 I/O 資源且硬件電路更復(fù)雜一些。

第二種硬件架構(gòu)由集成了 CAN 控制器的 MCU 和 CAN 收發(fā)器組成。這種方案的硬件電路簡單，缺點(diǎn)是用戶編寫的 CAN 驅(qū)動程序只適用某 個系列的 MCU（如：ST公司的 STM32 F103、TI 的TMS320LF2407等），可移植性較差。

STM32 F1系列微控制器內(nèi)部集成了CAN控制器，名為bxCAN（Basic Extended CAN ），bxCAN 支持 CAN 技術(shù)規(guī)范V2 .0A和V2 .0B，通信比特率高達(dá)1Mb /s，在數(shù)據(jù)接收方面的特性有：bxCAN含兩個具有三級深度的接收FIFO，其上溢參數(shù)可配置，并具有可調(diào)整的篩選器組，幀起始段支持接收時間戳。

（2） ZigBee無線通信

ZigBee，也稱紫蜂，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議，底層是采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體訪問層與物理層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)上拓?fù)?、低?fù)雜度、快速、可靠、安全。

CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)中，為調(diào)試方便，采用的是BasicRF 軟件包。

BasicRF軟件包，其包括硬層（軟件，其括硬層（ 軟件包，其括硬層（Hardware layer Hardware layer）、 硬件抽象層（Hardware Abstraction layer Abstraction layer）、基本無線傳輸層（BasicRF layer）和應(yīng)用層（Application）。雖然該軟件包還沒有用到）。雖然該軟件包還沒有用到）。雖然該軟件包還沒有用到Z-Stack協(xié)議棧，但是其包含了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收，采用了與IEEE 802.15.4 MAC兼容的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)及ACK包

3.設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)了工業(yè)現(xiàn)場火災(zāi)檢測報(bào)警，CAN從節(jié)點(diǎn)通過火焰?zhèn)鞲衅鞑杉鹧嫘畔ⅲ⑼ㄟ^CAN線上傳至CAN網(wǎng)關(guān)，CAN網(wǎng)關(guān)將傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，通過485總線向云平臺傳遞數(shù)據(jù)，并通過串口連接ZigBee主模塊，主模塊發(fā)送無線指令控制ZigBee從模塊發(fā)出報(bào)警信號，CAN網(wǎng)關(guān)與CAN節(jié)點(diǎn)均采用STM32F103構(gòu)成。

其通信格式如下：

4.結(jié)論

作為最典型、應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線技術(shù)之一，CAN總線就以其通信距離遠(yuǎn)、速度快、多主多從、實(shí)時性好、檢錯能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為了工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用最為常見的總線;而ZigBee作為TI公司開發(fā)的一種成熟的無線通信解決方案，具有低復(fù)雜度、低成本、低功耗、靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。將CAN總線和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，使兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)，可以擴(kuò)展兩者的應(yīng)用領(lǐng)域。

本課題針對CAN和ZigBee的原理與特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種CAN/ZigBee混合網(wǎng)絡(luò)。 在分析CAN節(jié)點(diǎn)和ZigBee節(jié)點(diǎn)MCU發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的基礎(chǔ)上，本課題選用內(nèi)嵌CAN協(xié)議控制器和收發(fā)器的LPC11C24作為CAN節(jié)點(diǎn)MCU，選用內(nèi)嵌增強(qiáng)型8051內(nèi)核和RF收發(fā)器的CC2530作為ZigBee節(jié)點(diǎn)MCU。在對STM32F103與CC2530之間通信方式進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，本課題采用UART在STM32F103與CC2530之間交換數(shù)據(jù)，構(gòu)成雙MCU結(jié)構(gòu)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

測試結(jié)果表明：本課題設(shè)計(jì)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)傳輸有效性和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)CAN和ZigBee的無縫連接提供了一種可行方案。

受資助科研項(xiàng)目：重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級科研項(xiàng)目《智能制造中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)研究》項(xiàng)目編號：GZY201706-ZA

（重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）