基于CC2530與CAN總線的異構融合網關設計

潘玲

1.背景

隨著工業控制技術的發展，工業自動化已經廣泛應用于工業控制的各個領域。同時，節點數據實時性傳輸要求，數據接口的開放性與標準化等要求不斷提高，節點布設靈活性要求也越來越高，使得傳統工業現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，能節約投資成本，減少設備安裝的工作量，解決某些場合下（例如汽車電子領域）無法使用有線通信技術的局限性問題。但在抗干擾性要求較高、安全性要求較強的場合，有線通信還會繼續發揮其主導作用。所以，有線通信方案與無線通信網絡的融合設計，將可能成為工業控制網絡技術發展的新趨勢。

有線與無線通信網絡相互連接需要通過網關實現。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，選擇能夠滿足設計要求的嵌入式終端作為網關，針對系統結構存在很大差異的有線通信網絡和無線通信網絡之間的連接，確保通信的有效性與可靠性是網關設計的首要任務。

由于CAN總線是工業現場常用總線之一，基于CC2530的無線通信解決方案也得到了廣泛應用，將 CAN 與 ZigBee 技術相結合，應用到某些合適的場合是一個很好的解決方法。因此，設計與實現 CAN 和 ZigBee 的混合網絡是本課題的核心任務。

2.技術背景

（1） CAN總線

CAN是控制器局域網絡（Controller Area Network， CAN）的簡稱，是由以研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發的，并最終成為國際標準（ISO 11898），是國際上應用最廣泛的現場總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協議已經成為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線

CAN總線上單個節點的硬件架構有兩種方案：

第一種硬件架構由 MCU 、CAN 控制器和 CAN 收發器組成。這種方案采用了獨立的 CAN 控 制器，優點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，缺點是需要占用 MCU 的 I/O 資源且硬件電路更復雜一些。

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

STM32 F1系列微控制器內部集成了CAN控制器，名為bxCAN（Basic Extended CAN ），bxCAN 支持 CAN 技術規范V2 .0A和V2 .0B，通信比特率高達1Mb /s，在數據接收方面的特性有：bxCAN含兩個具有三級深度的接收FIFO，其上溢參數可配置，并具有可調整的篩選器組，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的無線網上協議，底層是采用IEEE 802.15.4標準規范的媒體訪問層與物理層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網上節點、支持多種網上拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。

CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。本系統中，為調試方便，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協議棧，但是其包含了IEEE 802.15.4標準數據包的發送和接收，采用了與IEEE 802.15.4 MAC兼容的數據包結構及ACK包

3.設計方案

本系統模擬設計了工業現場火災檢測報警，CAN從節點通過火焰傳感器采集火焰信息，并通過CAN線上傳至CAN網關，CAN網關將傳感數據進行存儲，通過485總線向云平臺傳遞數據，并通過串口連接ZigBee主模塊，主模塊發送無線指令控制ZigBee從模塊發出報警信號，CAN網關與CAN節點均采用STM32F103構成。

其通信格式如下：

4.結論

作為最典型、應用最廣泛的現場總線技術之一，CAN總線就以其通信距離遠、速度快、多主多從、實時性好、檢錯能力強等優點成為了工業現場應用最為常見的總線;而ZigBee作為TI公司開發的一種成熟的無線通信解決方案，具有低復雜度、低成本、低功耗、靈活性強的優點。將CAN總線和ZigBee無線網絡相結合，使兩者的優勢互補，可以擴展兩者的應用領域。

本課題針對CAN和ZigBee的原理與特點，設計了一種CAN/ZigBee混合網絡。 在分析CAN節點和ZigBee節點MCU發展現狀和趨勢的基礎上，本課題選用內嵌CAN協議控制器和收發器的LPC11C24作為CAN節點MCU，選用內嵌增強型8051內核和RF收發器的CC2530作為ZigBee節點MCU。在對STM32F103與CC2530之間通信方式進行詳細分析的基礎上，本課題采用UART在STM32F103與CC2530之間交換數據，構成雙MCU結構的網關節點。

測試結果表明：本課題設計的CAN總線網絡、ZigBee無線網絡和網關節點具有結構簡單，數據傳輸有效性和可靠性高的優點，為實現CAN和ZigBee的無縫連接提供了一種可行方案。

受資助科研項目：重慶工業職業技術學院校級科研項目《智能制造中異構網絡互聯技術研究》項目編號：GZY201706-ZA

（重慶工業職業技術學院）