一種低成本的Ehternet嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是以全電子化鐵路車站控制系統(tǒng)為背景，任務(wù)是實(shí)現(xiàn)鐵路車站執(zhí)行機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)測機(jī)之間的信息交換。其中，執(zhí)行機(jī)包括各個執(zhí)行單元，采用CAN總線接口。監(jiān)測機(jī)為遠(yuǎn)程的PC控制機(jī)，采用以太網(wǎng)接口。本設(shè)計(jì)指在實(shí)現(xiàn)CAN通信鏈路和以太網(wǎng)通信鏈路的透明連接，最終形成通用的CAN總線以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

CAN總線與以太網(wǎng)通信，通常采用兩種方案，一種是采用工控機(jī)加網(wǎng)卡來實(shí)現(xiàn)。這種連接方式成本高，開發(fā)周期長。另一種是采用32位MCU+RTOS的方案，這種方案采用32位高檔單片機(jī)，在RTOS（實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)）的平臺上進(jìn)行軟件開發(fā)，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP的協(xié)議處理。它的缺點(diǎn)是：單片機(jī)價(jià)格較高，開發(fā)周期較長，需要購買昂貴的RTOS開發(fā)軟件，對開發(fā)人員的開發(fā)能力要求較高。鑒于上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)一種單獨(dú)的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互連系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)與CAN總線的直接互聯(lián)。

一、硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路原理如圖1所示。本系統(tǒng)以單片機(jī)為界，為了兩部分：CAN總線控制部分和以太網(wǎng)控制部分。系統(tǒng)提供RJ45接口連接Ethernet網(wǎng)絡(luò)，并且提供一個CAN總線接口供用戶使用。系統(tǒng)可以把從Ethernet上過來的IP數(shù)據(jù)報(bào)解包送給CAN總線接口，也可把從CAN總線接口過來的數(shù)據(jù)封裝為IP包送到局域網(wǎng)中。

圖1 系統(tǒng)電路原理框圖

（一）單片機(jī)及其外部存儲器

單片機(jī)W78E58B為主要控制部分，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)芯片和CAN控制器的控制。在微處理器內(nèi)嵌入TCP/IP協(xié)議和CAN協(xié)議，完成兩者之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)CAN接口和以太網(wǎng)接口之間數(shù)據(jù)的透明傳輸。

62256是32K的外部RAM，用來緩存以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包和CAN總線傳來的數(shù)據(jù)，使用它的目的是提高單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速度和處理復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議。由于以太網(wǎng)最大的數(shù)據(jù)包有1514字節(jié)，而單片機(jī)W78E58B只能256字節(jié)的RAM，無法存儲這么大的數(shù)據(jù)包，只能放在外部RAM里，以使單片機(jī)能夠高速地吞吐數(shù)據(jù)。P2.7為低電平時，62256被選通，因此其尋址范圍為0000H～7FFFH。

單片機(jī)W78E58B內(nèi)部有32K的EEPROM，可用來存儲一些配置信息，如網(wǎng)關(guān)IP地址、MAC地址、SJA1000的ID網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符、網(wǎng)絡(luò)掩碼和總線定時（BTR0、BTR1）等。這樣可以靈活方便地修改網(wǎng)關(guān)參數(shù)，適應(yīng)不同的環(huán)境，同時也有利于以后的擴(kuò)展。

（二）以太網(wǎng)控制部分

RTL8019AS是臺灣Realtek公司制造的一種高集成度的全雙工10M/S以太網(wǎng)控制芯片，可實(shí)現(xiàn)基于Ethernet協(xié)議的MAC層的全部功能，內(nèi)置16KB的SRAM、雙DMA通道和FIFO，可完成數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送功能。

在該設(shè)計(jì)中，RTL8019AS使用跳線模式（JP置為高），數(shù)據(jù)線使用八位模式（IOCS16B用27kΩ電阻下拉接地），RTL8019AS的低五位地址線SA0～SA4對應(yīng)接到單片機(jī)的P2.0～P2.4，SA6和SA9接VCC，其他地址線全部接地。當(dāng)P2.6和P2.7同時為高電平時RTL8019AS的片選信號AEN使能。RTL8019AS的I/O地址需要映射為單片機(jī)的I/O地址，這樣單片機(jī)才能操作RTL8019AS。根據(jù)電路設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)中單片機(jī)的I/O地址與RTL8019AS的I/O地址之間的映射關(guān)系為：0XC000H～240H，0XC100H～241H…）XDF00H～25FH，共32個字節(jié)。RTL8019AS除與單片機(jī)連接外，還將其網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器的四根引腳HD、LD、TRIN+、TPIN-通過外部的隔離濾波器LPF與以太網(wǎng)相連，目的是提高網(wǎng)絡(luò)通信的抗干擾能力。

（三）CAN總線控制部分

SJA1000為CAN總線控制器，具有多主結(jié)構(gòu)、總線訪問優(yōu)先權(quán)、廣播報(bào)文功能及硬件濾波功能，具有簡單總線連接的SJA1000可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。它具有兩種工作模式BasicCAN和PeliCAN。BasicCAN僅支持標(biāo)準(zhǔn)模式（本文僅介紹BasicCAN模式），支持錯誤分析功能，對CAN收發(fā)器進(jìn)行控制，為微控制器提供控制CAN總線的簡單接口。單片機(jī)對SAJ1000的讀寫就像讀寫自己的外部RAM一樣。P2.7取反后作為其片選信號線。因此，SJA1000對應(yīng)地址為8000H～807FH。SJA1000的/INT引腳接單片機(jī)的INT1引腳，使單片機(jī)能夠?qū)崟r響應(yīng)CAN的中斷請求。