一種基于ARM的嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言
CAN(Controller Area Network)為控制器局域網(wǎng)絡(luò)，CAN總線(xiàn)規(guī)范已經(jīng)被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898，并得到眾多半導(dǎo)體器件廠商的支持，推出各種集成有CAN協(xié)議的產(chǎn)品。CAN屬于總線(xiàn)式串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于其采用了許多新技術(shù)和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，低成本、高可靠性、實(shí)時(shí)性、靈活性、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。在汽車(chē)電子、自動(dòng)控制、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域，CAN總線(xiàn)具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。
以太網(wǎng)以其通信數(shù)據(jù)量大、傳輸速度快、開(kāi)放性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信速率低的缺陷，成為現(xiàn)階段信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最廣的局域網(wǎng)技術(shù)。用以太網(wǎng)直接進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域，目前還存在一些問(wèn)題，以太網(wǎng)的媒體訪(fǎng)問(wèn)方式CSDA／CD不能保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇_定性和實(shí)時(shí)性，不能滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的要求。將以太網(wǎng)引入工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)(CAN BUS)分工合作，構(gòu)成兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將高效的以太網(wǎng)和低速的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相結(jié)合，解決大規(guī)模測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性矛盾，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連，需要用嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)。
CAN／Ethernet網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是協(xié)議轉(zhuǎn)換，要求數(shù)據(jù)解析正確完整，同時(shí)響應(yīng)迅速、耗時(shí)低、實(shí)時(shí)性和安全性好。基于RISC架構(gòu)的ARM微處理器指令執(zhí)行效率高，軟件操作平臺(tái)易于建設(shè)，同時(shí)具備豐富的外圍擴(kuò)展電路，能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)多任務(wù)要求。使用ARM技術(shù)構(gòu)造以太網(wǎng)與CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)是一種高效可行的方案。

1 網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)組成
網(wǎng)關(guān)的主要功能是進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文與CAN數(shù)據(jù)幀之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與CAN總線(xiàn)的互聯(lián)。系統(tǒng)的硬件組成包括CAN總線(xiàn)接口設(shè)計(jì)和以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)，如圖1所示。

S3C2410是Samsung公司推出的一款低價(jià)位、低功耗、高性能的32位RISC嵌入式處理器。該芯片采用ARM920T內(nèi)核，5級(jí)流水線(xiàn)和哈佛結(jié)構(gòu)，工作頻率高達(dá)266 MHz，運(yùn)行速度可達(dá)1．1 MIPS。S3C2410提供了豐富的內(nèi)部資源，如：SDRAM控制器、LCD控制器、3通道的UART、4通道的DMA、2個(gè)SPI模塊，支持輪詢(xún)、中斷與DMA三種數(shù)據(jù)發(fā)送模式。雖然內(nèi)部沒(méi)有CAN控制器，但可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行擴(kuò)展，接口電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
CAN總線(xiàn)接口電路主要采用帶SPI接口的獨(dú)立CAN控制器MCP2510、CAN總線(xiàn)收發(fā)器TJA1050、高速光隔6N137和DC／DC電源隔離模塊DCR010505等設(shè)備組成。獨(dú)立CAN控制器MCP2510完全支持CAN總線(xiàn)的V 2．0A和V 2．0B的技術(shù)規(guī)范。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將MCP2510作為從設(shè)備連接到S3C2410的SPI0口。TJA1050總線(xiàn)收發(fā)器是CAN控制器和物理總線(xiàn)之間的接口芯片，增強(qiáng)了總線(xiàn)的驅(qū)動(dòng)能力。為增強(qiáng)CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，MCP2510的TXCAN和RXCON并不直接與TJA1050的TXD和RXD相連，而是通過(guò)兩片光電耦合器6N137與TJA1050相連，同時(shí)光隔芯片的兩端電源采用DC／DC模塊進(jìn)行隔離。這樣就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)外總線(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)間的完全電氣隔離，增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。總線(xiàn)兩端都接有1個(gè)終端電阻(120 Ω)和1個(gè)TVS管，以消除反射信號(hào)，有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
以太網(wǎng)接口電路是在S3C2410片上擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8019AS，RTL8019AS是臺(tái)灣REALTEK公司生產(chǎn)的一種基于ISA總線(xiàn)的高度集成的以太網(wǎng)控制器。它實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)媒介訪(fǎng)問(wèn)層(MAC)和物理層(PHY)的全部功能，包括MAC數(shù)據(jù)幀的收發(fā)、地址識(shí)別、循環(huán)冗余檢驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check，CRC)編碼／校驗(yàn)、曼徹斯特編解碼、超時(shí)重傳、鏈路完整性測(cè)試、信號(hào)極性檢測(cè)與糾正等。RTL8019AS與主處理器有3種接口模式，跳線(xiàn)模式(Jumper)，即插即用模式(PnP)和免跳線(xiàn)模式(Jumperless)。系統(tǒng)采用常見(jiàn)的跳線(xiàn)模式來(lái)選擇I／O端口和中斷。