张 帆
（晋中信息学院 山西 晋中 030800）
现场总线技术在工业控制中占有举足轻重的地位，其所涉及的通信协议、总线种类繁多，且具有各类通信协议与总线并存的特点。由于不同种类的通信协议在市场上具有不同的产品，这就导致不同的总线标准、协议存在很大的差别，同时对常见信息联通带来了负面影响，最终严重降低通信网络的开放程度。因为每个总线标准和协议都有自己的特点，所以用户在对本身的产品进行升级、改造的过程中，为了实现减少投资、维护成本的目的，就不会再选择其他种类的产品，更倾向于选择正在使用的同类型总线协议产品，因此导致现阶段在工业控制的整体过程中不同类型的通信协议存在通信标准、协议难以统一的问题。
随着我国针对该项技术研发力度的加大，促使多协议转换系统已经能够很好地解决上述问题。例如，现阶段已有学者将S3C2440处理器作为基础，实现了MQTT与多种协议之间的转换[1]。还有学者在研究中设计了一个以ARM为基础的协议转换器，利用交换芯片中的端口，完成SPI、TCP协议之间的转换[2]。本文在众多学者的研究成果上，针对工业控制中较为常用的两种协议，包括LIN、CAN协议，提出了以嵌入式技术为基础的多协议转换模型、设计，实现了LIN、CAN协议与总线间的多协议转换。
当前，世界范围内的现场总线标准种类很多，而各厂家所研制的加工设备所支持的协议接口标准也各不相同，这给各种加工设备的连接造成了很大的困扰。国际上较为认可的解决这种困难的方案为：第一，通过针对系统模型进行调整，促使管理系统对不同国家的设计总线进行统一支撑，以此确保存在差异性的处理装置能够得到良好互联，并以此来达到协议之间的交换目的。发挥管理系统的作用，同时为协议转换提供统一接口，在对协议转换系统进行高度利用后可以最大程度实现不同类型总线协议的交换，最终转换为一个能够被管理系统所支持的总线协议，在此基础上，所有工业车间中的海量数据均可以通过这种形式实现实时、高效的传输[3]。即便上述方案能够解决问题，但是此种设计方案也存在一定缺陷，比如在采用该种设计方案时会对系统的后期维护以及创新开发形成阻碍。第二，利用协议转换促使管理系统、加工设备相分离。这种方案的优势较为明显，能够对各类加工设备的增加、更换等起到积极作用，同样也能够实现不同类型协议之间的通信困难。因此，在解决方案的选择上，本文更倾向于选择第二种解决方案。
多协议转换系统主要是通过对各种不同类型的协议进行分割和重构，从而使各种不同类型的通信协定能够互相转化。本文所设计的多协议系统模型，将RS485总线协议作为接口的一端，因RS485接口具有简便性，与常用的计算机等设备的匹配程度相对较高，将LIN、CAN协议作为接口的另一端，设计原理就是利用一个总线协议向多个不同的总线协议进行转换，从而实现统一应用。本文所设计的多协议系统模型详见图1。
本文所开展的多协议转换系统设计是在嵌入式技术的基础上实现的，在系统的中央处理模块中以嵌入式处理器为主，并在中央处理模块的外围设有两个协议，分别为CAN、LIN协议，以Linux系统作为软件平台，并编写相应的驱动与应用程序，具体的硬件设计、软件设计如下。
2.1 硬件设计
多协议转换器需要具有LIN、CAN、RS485总线协议之间的交换功能。在整个硬件设备的要求中，在LIN、CAN、RS485总线协议中均应设置相应的硬件接口，并利用硬件来完成对多协议的分析。在本文的设计中，主要将处理器设定为Exynos4412处理器，并在其外围增设多种协议的接口电路。本文具体的硬件设计方案详见图2。该多协议转换器包括CAN总线接口电路、RS485总线接口电路和LIN接口电路和电源电路4个部件，该电路的电源主要采用Exynos4412的基础电路和各个接口电路进行供电，通过Exynos4412芯片的协同作用，使得3种总线接口电路相互配合、井然有序地运行，并最终实现3种协议之间的相互转换[4]。
LIN总线协议的接口部分采用RS232驱动器，SP232EEN芯片和TJA1020的收发机构成，TJA1020作为LIN主从协定的控制器与LIN内局域网的实体总线的连接，它的核心是采用2.4-20Kbaud波特率，其TXD输入一端的协议控制设备所发送的数据会由LIN的收发器转换为一个总线信号，这种总线信号具有可控制转换数量、调整波形的特点，并以此来减少EME。LIN总线的输出管脚经过它的内部的末端电阻而被拉高[5]。
CAN总线协议的接口部分主要利用GPIO的扩展，选用型号为MCP2515的CAN控制芯片，同时选用与型号相匹配的接收器（TJA1050型）。本文所选用的型号为MCP2515的CAN控制芯片是一个能够独立控制局部网络的控制器，利用该芯片可以实现对CAN的规范，该芯片可起到扩展数据等重要作用。同时，该芯片主要是由两个接受掩码、六个接受过滤波形器组成，其作用主要是过滤不必要的消息与数据，进而减低主机中MCU的消耗与开销。MCP2515与微型控制器的连接主要是采用符合国家工业标准的串行外部设备接口SPI。
RS485总线协议的接收器主要采用了MAX3485芯片，该芯片是RS-485收发芯片的一种，一般来讲，这种芯片的工作频率是3.3 V，芯片的通信速率和效能是10 Mbps，这一指标与RS-485和RS-422串行通信的特点是一致的，主要采用半串或双串方式，以差分波为主要驱动方式，并能有效地防止线路的短路。在相同的总线中，本方案最多能同时容纳32台收发信机，同时具有功率低，速率高，可靠性高等特点。
2.2 软件设计
本文所采用的处理器为Exynos4412处理器，该处理器为4核处理器，在其内部存在4个独立运行的CPU，为了使该处理器的CPU资源利用得更加充分，本文将Linux系统作为主要的软件平台，该系统可最大限度满足4个在微观层面上同时运行的进程，无论是RS485处理协议还是CAN、LIN协议均可由该系统实现，通过建立相应的设备节点等文件，利用既定的应用程序可实现对节点文件的读取、传输[6]。
2.2.1 驱动程序
在对Linux系统的驱动程序进行细化后大致可以将其分为以下3种不同类型，其一是字符驱动类，其中常见的包括RS485总线协议以及LIN协议；
其二为块设备驱动类，最后一种则是网络设备驱动类。以下是CAN总线协议驱动程序的编写实例。
（1）首先通对CAN总线协议结构构造出Can_dev，获取cedv以及系统缓冲区必备的数组字符器件；
创建file_operations结构对象，即Can_fops。
（2）其次，利用系统编写Can_init函数表达，目的是能够创建一个Can_dev对象，创建完成后需要申请主设备号，设备号申请完成后绑定Can_fops对象；
再次利用系统编写Can_exit函数表达，编写完成函数后删除Can_dev对象，随后释放主设备号。
（3）利用系统编写Can_open、read、write等函数表达，赋值Can_fops的open、read、write函数指针。
（4）编制代码，生成代码文件。
图3为Can_read函数的部分代码。
Linux的设备驱动通常包括一个堵塞和相互排斥的机制，使得整个驱动过程在资源争夺失败、资源争夺成功但资源并不能被使用时，放弃CPU的使用权限，进而促使CPU进入一个休眠状态，随后在其可获得资源的时候被唤醒。但是，从休眠至唤醒期间都会耗费大量的时间，从而会对总线协议的实时传输产生一定的干扰，因此，本文在驱动程序的设计中，CAN总线驱动、LIN驱动和RS485总线协议是相互独立的，没有任何的资源争夺和相互排斥，从而为总线协议的构建过程提供了依据，利用非阻塞形式的读取和写入，以改善数据传输的实时性。
2.2.2 应用程序
上述步骤完成后需要利用程序读取RS485总线协议缓冲区域数据，并且利用所获取的数据对总线具体类型进行准确分辨，完成后将其纳入到CAN、LIN总线协议得到输出缓冲区域，选取上文中所提到的驱动设备，以此来完成多种数据、资料的传输工作。反之，利用应用程序对CAN、LIN总线协议缓冲区域的数据进行读取，并施加一个相应的标识，最后将其写入到RS485总线协议的输入缓冲区域中，最终实现多种数据、资料的接收工作。三组类型的数据传输和接收过程，没有进程休眠，没有抢占进程等问题，同时也克服了Linux的实时性能较差的问题。以CAN协议为例，其协议程序的流程图详见图4。
在此过程中，程序会使用开放功能来开启RS_driver和Can_drvier等设备文件，并将其分别存储在具有文件标识的fd0和fd1两个变量之中，同时利用这两个文件表示持续、反复地利用非阻塞的方法对write和read进行调用，这个功能在CAN总线的驱动程序中会呼叫Can_write和Can_read功能来读取这些数据；
在此过程中，Rem_ident（）和Add_ident（）功能会删除并增加对应的标识符号，以确保识别各种类型的协议数据。同样以CAN协议为例，其部分代码详见图5。
当一个进程被执行时，它就会陷入一个永远不会结束的死循环，并且在不被阻止的情况下，它不会停止读取和写入数据，并在此基础上不间断地发送数据，以确保及时的信息传达。
在本文提出的嵌入式技术的多协议转换系统设计的基础上，对该设计的可行性等展开实验测试，实验将硬件平台设置为Exynos4412嵌入式开发板，在外部连接RS485、CAN和LAN的总线接口，软件平台主要以Linux操作系统为主，通过编写RS485、CAN和LAN的驱动程序和应用程序，实现多协议之间的数据传输与发送。
将RS485总线的接口与PC机相结合，将CAN和LIN接口与两台单独的MCU相结合，将两台微处理器串成计算机。在PC机上采用RS485总线，采用多路传输技术实现了对多路传输的控制，并将其传输到MCU中的CAN、LIN总线。
处于单片机中的CAN、LIN总线协议可以利用多协议转换系统对数据进行发送，处于上位机的RS485总线协议可以利用多协议转换系统对数据进行发送。
将01、02作为CAN、LIN总线协议所接收、发送的数据标识，通过多协议系统对01、02标识的数据进行识别。同时，上位机利用cutecom工具对从CAN、LIN总线协议接收到的数据进行显示，采用单片机和 PC机之间的串行接口，通过显示器辅助从RS485总线上采集资料与数据。具体的数据接收详见图6～图8。
开展多次发送数据的实验测试，其中图6、图7中CAN和LIN总线接收到的数据与表2中的数字相对应，由此可见，利用本文所提出的多协议转换系统设计可以很好地实现数据的准确传输。在整个的传输过程中并没有利用RS485总线协议发送标识。表明多协议转换系统可以利用标记识别数据，在去掉标记的前提下将各类数据经由CAN和LIN总线协议发送到单片机中。图8则与上文中的表1相对应。同样可以明确的是本文所提出的多协议转换系统设计可以实现数据的准确传输，且在整个数据的传输过程中多出了01、02两种标识，利用这两种标识可以有效识别CAN和LIN总线协议发送的数据。由此可以得出结论：本文所提出的多协议转换设计，可以在CAN和LIN两种协议上增加相应的标识（01、02），并通过RS485总线协议将数据发送给上位机，上位机也可通过01、02这种标识识别CAN和LIN两种协议，并对所接收的数据展开下一步的处理工作。
综上所述，本文为了解决工业领域内存在的各种通信协议之间的通信问题，提出了一种多协议转换系统设计，并利用嵌入式技术实现了多协议转换系统的信息传输。将Exynos4412嵌入式开发板作为主要的硬件设备，将Linux操作系统作为主要软件设备，利用Exynos4412构建RS485、CAN、LIN总线接口的硬件平台，在Linux系统环境中对RS485、CAN、LIN总线协议的驱动、应用进行编程。为了验证所提出的嵌入式技术的多协议转换系统数据传输的准确性、可行性，开展了相应的实验测试，根据实验的最终结果证明，利用单片机、上位机等可以实现CAN、LIN、RS485的数据传输，证明了本文提出的多协议转换系统设计具有可靠性和准确性，在某种意义上克服了通信协议的异构性，同时次系统还可以在其他各种总线上进行多个通信协定的变换。
随着当今世界范围内计算技术的高速发展，集散式控制系统应运而生，该系统实现了最大程度降低各个分通信点的个数，然而即便如此，该系统仍然存在不可忽视的问题，即在实践中应用繁琐的、采用一对一形式的物理连接。因此，未来相关研究依旧需要加大对该项技术的研发力度，提升系统应用效率，促进计算机技术的发展。
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