一種基于A(yíng)RM的嵌入式網(wǎng)關(guān)系統設計與實(shí)現

引 言
CAN(Controller Area Network)為控制器局域網(wǎng)絡(luò )，CAN總線(xiàn)規范已經(jīng)被國際標準化組織制訂為國際標準ISO11898，并得到眾多半導體器件廠(chǎng)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)和獨特的設計，低成本、高可靠性、實(shí)時(shí)性、靈活性、抗干擾能力強等特點(diǎn)，已被廣泛應用于各個(gè)自動(dòng)化控制系統中。在汽車(chē)電子、自動(dòng)控制、電力系統等領(lǐng)域，CAN總線(xiàn)具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。
以太網(wǎng)以其通信數據量大、傳輸速度快、開(kāi)放性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，彌補了現場(chǎng)總線(xiàn)通信速率低的缺陷，成為現階段信息網(wǎng)絡(luò )應用最廣的局域網(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 )傳輸的確定性和實(shí)時(shí)性，不能滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)惡劣環(huán)境的要求。將以太網(wǎng)引入工業(yè)測控領(lǐng)域，通過(guò)與現場(chǎng)總線(xiàn)(CAN BUS)分工合作，構成兩種異構網(wǎng)絡(luò )結構，將高效的以太網(wǎng)和低速的現場(chǎng)總線(xiàn)相結合，解決大規模測控系統實(shí)時(shí)性和可靠性矛盾，提高整個(gè)系統的工作效率。兩種異構網(wǎng)絡(luò )的互連，需要用嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)現。
CAN／Ethernet網(wǎng)關(guān)設計的主要任務(wù)是協(xié)議轉換，要求數據解析正確完整，同時(shí)響應迅速、耗時(shí)低、實(shí)時(shí)性和安全性好。基于RISC架構的ARM微處理器指令執行效率高，軟件操作平臺易于建設，同時(shí)具備豐富的外圍擴展電路，能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)多任務(wù)要求。使用ARM技術(shù)構造以太網(wǎng)與CAN現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)是一種高效可行的方案。

1 網(wǎng)關(guān)硬件系統組成
網(wǎng)關(guān)的主要功能是進(jìn)行以太網(wǎng)數據報文與CAN數據幀之間的協(xié)議轉換，實(shí)現以太網(wǎng)與CAN總線(xiàn)的互聯(lián)。系統的硬件組成包括CAN總線(xiàn)接口設計和以太網(wǎng)接口設計，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內核，5級流水線(xiàn)和哈佛結構，工作頻率高達266 MHz，運行速度可達1．1 MIPS。S3C2410提供了豐富的內部資源，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三種數據發(fā)送模式。雖然內部沒(méi)有CAN控制器，但可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行擴展，接口電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現。
CAN總線(xiàn)接口電路主要采用帶SPI接口的獨立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等設備組成。獨立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)規范。系統設計時(shí)，將MCP2510作為從設備連接到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，增強了總線(xiàn)的驅動(dòng)能力。為增強CAN總線(xiàn)節點(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)現了系統外總線(xiàn)CAN節點(diǎn)間的完全電氣隔離，增強了節點(diǎn)的穩定性和安全性?？偩€(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，有效提高系統的抗干擾能力。
以太網(wǎng)接口電路是在S3C2410片上擴展網(wǎng)絡(luò )接口芯片RTL8019AS，RTL8019AS是臺灣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數據幀的收發(fā)、地址識別、循環(huán)冗余檢驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)編碼／校驗、曼徹斯特編解碼、超時(shí)重傳、鏈路完整性測試、信號極性檢測與糾正等。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)。系統采用常見(jiàn)的跳線(xiàn)模式來(lái)選擇I／O端口和中斷。