基于ARM LPC2292 的CAN總線和以太網(wǎng)間的網(wǎng)關設計

0 引言

　　CAN 總線是一種設備互連的總線型控制網(wǎng)絡，與其它的現(xiàn)場總線相比，CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。這些特點使得其能同時滿足過程控制和制造業(yè)自動化的需求，因此被認為是最具有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一。但是，由于其收發(fā)器驅(qū)動能力的限制，約束了CAN 總線的最遠直接傳輸距離和總線上可以掛接的最大節(jié)點數(shù)，給系統(tǒng)組網(wǎng)帶來了一定的困難。而另一方面，由于以太網(wǎng)的低成本、開放性、應用軟硬件的支持以及強大的組網(wǎng)能力，目前已經(jīng)是應用最廣泛的局域網(wǎng)絡技術，越來越多的工程師們開始采用CAN 總線與以太網(wǎng)結合的技術。針對這樣一種情況，本文提出一種CAN 總線和以太網(wǎng)互連系統(tǒng)的設計方案，實現(xiàn)CAN 總線網(wǎng)和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)互連。

　　1 系統(tǒng)結構

　　用網(wǎng)關連接CAN 現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)的網(wǎng)絡架構圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構示意圖

　　網(wǎng)關的嵌入不僅使管理深入到控制現(xiàn)場，同時給系統(tǒng)組網(wǎng)帶來了很大的方便。

　　1.1 網(wǎng)關嵌入的益處

　?、?增大了系統(tǒng)的最大ＣＡＮ節(jié)點數(shù)

　　在不接中繼器的條件下，一個CAN 子網(wǎng)內(nèi)最多可以掛接110 個節(jié)點，而每個網(wǎng)關下可以連接一個子網(wǎng)，通過多個網(wǎng)關可以把多個子網(wǎng)聯(lián)系在一起，從而增加了系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)。

　?、?擴大了系統(tǒng)的組網(wǎng)范圍

　　CAN 的直接通信距離大概只有10km 左右，系統(tǒng)按照現(xiàn)場區(qū)域和節(jié)點數(shù)構建子網(wǎng)，子網(wǎng)與子網(wǎng)通過以太網(wǎng)連接，從而突破了區(qū)域和距離的限制。

　?、?實現(xiàn)了具有不同傳輸速度的現(xiàn)場總線子網(wǎng)的相互通信網(wǎng)關提供一個友好的人機接口，用戶可以根據(jù)需要設置IP 地址和CAN 控制器的波特率。

　　1.2 網(wǎng)關嵌入的問題

　　網(wǎng)關的應用給系統(tǒng)帶來方便的同時，也付出了一定的代價，在設計中必須考慮這些問題，以提高系統(tǒng)的整體效率。這些問題表現(xiàn)在：

　?、賹崟r性

　　由于使用網(wǎng)關，對數(shù)據(jù)的處理必須經(jīng)歷先存儲，再轉(zhuǎn)換，最后再發(fā)送的過程，增加了一些存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時。因此在設計中必須考慮系統(tǒng)的實時性，要求系統(tǒng)能在存儲新接收到的數(shù)據(jù)后立即啟動協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務，盡量減小系統(tǒng)延時。

　?、?安全性

　　若網(wǎng)關出現(xiàn)故障，會對CAN 子網(wǎng)和以太網(wǎng)間的通信產(chǎn)生影響，甚至會癱瘓這個子網(wǎng)與整個系統(tǒng)的通信。因此在硬件設計中，要盡量避免干擾等問題的出現(xiàn)；軟件設計必須能對一些可糾正錯誤及時作出反應，并把錯誤信息返回給用戶。

　　2 網(wǎng)關硬件設計

　　網(wǎng)關硬件設計分為CAN 接口、以太網(wǎng)網(wǎng)絡接口和人機接口等3 個部分。

　　2.1 主控制器的選擇

　　主控制器采用Philips 的ARM 控制器LPC2292。LPC2292 基于一個支持實時仿真和跟蹤TM 的16/32 位ARM7TDMI-SCPU。CPU 內(nèi)核工作電壓為1.8V，引腳工作電壓為3.3V。

　　LPC2292 帶有256 k 字節(jié)(kB)嵌入的高速Flash 存儲器，完全可以滿足系統(tǒng)代碼的容量要求，無需外擴存儲器；獨特的加速結構使32 位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，可實現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議棧中的ARP、TCP、UDP、ICMP 等網(wǎng)絡協(xié)議。

　　LPC2292 內(nèi)部集成兩個CAN 控制器，方便系統(tǒng)采用冗余設計。CAN控制器主要特性有：單個總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達1Mb/s；32 位寄存器和RAM 訪問；兼容CAN2.0B,ISO11898-1規(guī)范；全局驗收濾波器可以識別所有的11 位和29 位Rx 標識符；驗收濾波器為選擇的標準標識符提供了FullCAN-style 自動接收。

　　CPU 外部靜態(tài)存儲器控制器為CPU 內(nèi)部系統(tǒng)總線和外部存儲器或外部I/O 器件提供了一個接口。利用這種外部總線可以方便與以太網(wǎng)網(wǎng)卡控制器進行連接。

　　2.2 CAN 接口

　　考慮系統(tǒng)的安全性，CAN 接口部分采用冗余設計。當正常通道發(fā)生故障時自動調(diào)用冗余通道進行傳輸；如果冗余通道也發(fā)生故障，則進入故障處理。其硬件接口示意圖如圖2 所示。LPC2292 兩路通道分別通過高速總線驅(qū)動器TJA1050 與總線相連?？偩€驅(qū)動器采用帶隔離的DC/DC 單獨供電，不僅實現(xiàn)了兩路通道之間的電氣隔離，也實現(xiàn)了網(wǎng)關與總線之間的電氣隔離。

　　2.3 網(wǎng)絡接口

　　網(wǎng)卡控制器采用臺灣RETACK 公司的10M 以太網(wǎng)控制芯片RTL8019 ，支持全雙工工作模式，軟件兼容8 位或16 位的NE2000 模式；內(nèi)部集成DMA 控制器、ISA 總線控制器以及16kRAM 、網(wǎng)絡PHY 收發(fā)器等。RTL8019 使用LPC2292 外部存儲控制的BANK3 部分，它的數(shù)據(jù)地址范圍為0x83400000~0x8340001F 。RTL8019 的工作電壓為+5V，而LPC2292 的引腳工作電壓為3.3V ，所以還應在連接線上串聯(lián)470 Ω 的保護電阻。網(wǎng)絡采用雙絞線傳輸。

圖2 網(wǎng)絡硬件結構示意圖

　　2.4 人機接口

　　除了上面的主要部分外，還有LED 數(shù)碼管顯示和鍵盤部分，LED 用來顯示工作狀態(tài)，鍵盤根據(jù)具體實際情況修正總線波特率和網(wǎng)關的IP 地址。

　　3 軟件設計

　　3.1 引入RTOS

　　網(wǎng)關設計對系統(tǒng)的實時性要求比較高，而采用傳統(tǒng)的前后臺設計方法又會顯得過于復雜，實時性得不到保證。解決這個問題的最好方法就是采用實時操作系統(tǒng)RTOS 。目前世界上已有一大批成熟的嵌入式操作系統(tǒng)，其中μC/OS-II 操作系統(tǒng)是一種源代碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)，具有代碼短小精悍、簡單易學的特點，針對網(wǎng)關的設計，這是一個理想的選擇。

　　μC/OS-II 完全是占先式的實時內(nèi)核，是基于優(yōu)先級的，即總是讓就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務先運行，因此實時性比非占先的內(nèi)核要好。它的絕大部分代碼是用C 語言編寫的，可移植性強。

圖3 嵌入式計算機系統(tǒng)