基于LPC2294的CAN與以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互聯(lián)的設(shè)計(jì)

摘要 為滿足以太網(wǎng)與CAN總線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，設(shè)計(jì)了一種以LPC2294為控制芯片，嵌入式μC／OS—II為操作系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)模塊，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)協(xié)議與CAN總線協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換。給出了網(wǎng)關(guān)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)闡述了網(wǎng)關(guān)模塊使用的自定義UDP報(bào)文結(jié)構(gòu)，該報(bào)文結(jié)構(gòu)可提供更多的管理信息，有利于網(wǎng)絡(luò)的管理測試表明設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)模塊具有一定的實(shí)用性和可靠性。
關(guān)鍵詞 CAN；以太網(wǎng)；協(xié)議轉(zhuǎn)換；嵌入式

控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)最先由德國BOSCH公司開發(fā)，并成為一種國際標(biāo)準(zhǔn)(IS011898)。由于CAN總線具有靈活、可靠、實(shí)時(shí)、開放性好、糾錯能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為目前最有前途的現(xiàn)場總線之一。但任何事物都具有兩面性，CAN總線也有不足之處，由于其收發(fā)器驅(qū)動能力有限，導(dǎo)致總線上可連接的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)和最遠(yuǎn)直接傳輸距離受到了限制，無法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，這給系統(tǒng)組網(wǎng)帶來了一定的制約條件。相較而言，以太網(wǎng)憑借著成本低、易于組網(wǎng)、擁有眾多應(yīng)用軟硬件的支持且根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求的實(shí)際情況，不斷地進(jìn)行完善和改進(jìn)，并逐步發(fā)展了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)(10 Mbit／s)、快速以太網(wǎng)(100 Mbit／s)千兆以太網(wǎng)和萬兆以太網(wǎng)等，成為目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。若將以太網(wǎng)與CAN總線互聯(lián)，可降低成本，增加系統(tǒng)的最大CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)，擴(kuò)大系統(tǒng)的組網(wǎng)范圍，還可實(shí)現(xiàn)不同傳輸速度的現(xiàn)場總線子網(wǎng)的相互通信，及其設(shè)備層到管理層的一體化。所以，文中提出一種以太網(wǎng)與CAN總線互聯(lián)的通信網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案。

1 硬件設(shè)計(jì)
圖1所示為本網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的整體方案框圖，網(wǎng)關(guān)模塊使用LPC2294作為主控制器，μC／OS—II操作系統(tǒng)為平臺，擴(kuò)展了兩個(gè)網(wǎng)卡接口和CAN接口，并通過軟件設(shè)計(jì)完成CAN總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議相互轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)之間的雙冗余通信。

硬件電路可劃分為5個(gè)部分：控制電路、存儲電路、輔助電路、以太網(wǎng)接口電路和CAN總線接口電路。下面主要對控制電路、以太網(wǎng)接口電路和CAN總線接口電路進(jìn)行分析。
1．1 系統(tǒng)控制器
系統(tǒng)選用ARM處理器LPC2294作為控制芯片，主要是LPC2294具有超強(qiáng)的功能、功耗低及豐富的片上資源，更重要的是集成了4個(gè)支持CAN 2．0B協(xié)議的CAN控制器，并帶有先進(jìn)的驗(yàn)收濾波器，提供了系統(tǒng)的集成度和復(fù)雜度，還提供了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為滿足系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)存儲需要，外擴(kuò)了1 MB的16位Flash芯片SST39VF16 0，用于存儲程序代碼。其中Flash的地址線A1～A20連接至LPC2294的A1～A20，數(shù)據(jù)線ED0～ED15通過一個(gè)雙電源供電的雙向收發(fā)器連接至LPC2294的DQ0～DQ15，CE#接至LPC2294的CS0，將其分配到Bank0單元，其地址范圍0x8000 0000～0x8000 1000。OE#、OW#分別連接至LC2294的OE#和WE#。同時(shí)外接了1 MB的16位SRAM存儲器IS61LV25616AL，用于堆棧和數(shù)據(jù)的存儲。其中SRAM的地址線A1～A20連接至LPC2294的A0～A19，數(shù)據(jù)線IO0～I(xiàn)O15通過一個(gè)雙電源供電的雙向收發(fā)器連接至LPC2294的D0～D15，CE#接至LPC 2294的CS1，將其分配到Bank1單元，該地址范圍0x8100 0030～0x8100 1000。LB#、UB分別與BLS0、BLS1相連，用于控制8位或16位讀寫數(shù)據(jù)。OE#、OW#分別連接至LC2294的OE#和WE#。
1．2 CAN接口電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)有兩個(gè)CAN接口，其中一個(gè)是主接口，另一個(gè)是冗余接口，均接入同一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)，其目的是增加系統(tǒng)的可靠性。CAN2．0B控制器由LPC2294直接集成，無需外加獨(dú)立的CAN控制器，且LPC2294中集成了4個(gè)CAN控制器，在此系統(tǒng)中選用第1個(gè)和第2個(gè)CAN接口。CAN收發(fā)器選用了CAT8250T，主要作用是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，但與常用的CAN收發(fā)器TJA1050T不同的是該CAN收發(fā)器將CAN節(jié)點(diǎn)的收發(fā)與高速光耦、電源隔離集成在一個(gè)電路模塊中，且隔離電壓高達(dá)DC2 500 V，接口簡單、使用方便，并對CAN總線有過電壓保護(hù)作用。同時(shí)還要在CANH和CANL與地之間并聯(lián)一個(gè)120 Ω的電阻，來匹配傳輸阻抗，吸收總線回波，確保有較低的電磁輻射和通信可靠性。
1．3 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)由DM9000E以太網(wǎng)控制器，HR601860網(wǎng)卡變壓器，及RJ45接口，組成以太網(wǎng)接口電路。同樣選用了兩個(gè)網(wǎng)口電路，一個(gè)是主網(wǎng)口，另一個(gè)是冗余網(wǎng)口。其中，LPC2294使用16位總線方式對DM9000E進(jìn)行控制，并使其工作在100 MHz全雙工模式下。對兩個(gè)網(wǎng)口的選用，是通過LPC2294的CS3、A22引腳來控制主網(wǎng)口的片選信號，即這兩個(gè)引腳與74AC32的引腳1和2相連，而引腳3連接主網(wǎng)口的ANE引腳。同理將LPC2294的CS3、A23，經(jīng)74AC32與冗余網(wǎng)口的ANE引腳相連。再將DM9000E的CMD引腳與LPC2294的A2連接?？蓪⒅骶W(wǎng)和冗余網(wǎng)卡芯片的數(shù)據(jù)端口地址與索引端口地址分別配置成0x8380000、0x83800004和0x83400000、0x83400004。DM9000E的物理層發(fā)送和接收端口TXO+、TXO-、RXI+、RXI-經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變壓器芯片HR601680接到RJ45接口。對于DM9000E的其余引腳可根據(jù)Datasheet中的說明，按要求連接即可，如圖2所示。

最終，對DM9000E芯片進(jìn)行驅(qū)動。該芯片的驅(qū)動主要由3部分完成：void InitNic()用以對芯片進(jìn)行初始化，配置片內(nèi)寄存器等；void Send_P-acket(struct_pkst*TxdData)為數(shù)據(jù)發(fā)送程序，uint8 Rec_Packet(uint8 num)為數(shù)據(jù)接收程序，上層協(xié)議通過調(diào)用這兩個(gè)函數(shù)來發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。