一種低成本的Ehternet嵌入式系統的設計

本設計是以全電子化鐵路車(chē)站控制系統為背景，任務(wù)是實(shí)現鐵路車(chē)站執行機與遠程監測機之間的信息交換。其中，執行機包括各個(gè)執行單元，采用CAN總線(xiàn)接口。監測機為遠程的PC控制機，采用以太網(wǎng)接口。本設計指在實(shí)現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(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

CAN總線(xiàn)與以太網(wǎng)通信，通常采用兩種方案，一種是采用工控機加網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現。這種連接方式成本高，開(kāi)發(fā)周期長(cháng)。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，在RTOS（實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統）的平臺上進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，在嵌入式系統中實(shí)現TCP/IP的協(xié)議處理。它的缺點(diǎn)是：?jiǎn)纹瑱C價(jià)格較高，開(kāi)發(fā)周期較長(cháng)，需要購買(mǎi)昂貴的RTOS開(kāi)發(fā)軟件，對開(kāi)發(fā)人員的開(kāi)發(fā)能力要求較高。鑒于上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)，筆者設計一種單獨的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互連系統，成功地實(shí)現了以太網(wǎng)與CAN總線(xiàn)的直接互聯(lián)。

一、硬件設計

系統電路原理如圖1所示。本系統以單片機為界，為了兩部分：CAN總線(xiàn)控制部分和以太網(wǎng)控制部分。系統提供RJ45接口連接Ethernet網(wǎng)絡(luò )，并且提供一個(gè)CAN總線(xiàn)接口供用戶(hù)使用。系統可以把從Ethernet上過(guò)來(lái)的IP數據報解包送給CAN總線(xiàn)接口，也可把從CAN總線(xiàn)接口過(guò)來(lái)的數據封裝為IP包送到局域網(wǎng)中。

圖1 系統電路原理框圖

（一）單片機及其外部存儲器

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

62256是32K的外部RAM，用來(lái)緩存以太網(wǎng)數據包和CAN總線(xiàn)傳來(lái)的數據，使用它的目的是提高單片機的數據傳輸速度和處理復雜的TCP/IP協(xié)議。由于以太網(wǎng)最大的數據包有1514字節，而單片機W78E58B只能256字節的RAM，無(wú)法存儲這么大的數據包，只能放在外部RAM里，以使單片機能夠高速地吞吐數據。P2.7為低電平時(shí)，62256被選通，因此其尋址范圍為0000H～7FFFH。

單片機W78E58B內部有32K的EEPROM，可用來(lái)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 )標識符、網(wǎng)絡(luò )掩碼和總線(xiàn)定時(shí)（BTR0、BTR1）等。這樣可以靈活方便地修改網(wǎng)關(guān)參數，適應不同的環(huán)境，同時(shí)也有利于以后的擴展。

（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)現基于Ethernet協(xié)議的MAC層的全部功能，內置16KB的SRAM、雙DMA通道和FIFO，可完成數據包的接收和發(fā)送功能。

在該設計中，RTL8019AS使用跳線(xiàn)模式（JP置為高），數據線(xiàn)使用八位模式（IOCS16B用27kΩ電阻下拉接地），RTL8019AS的低五位地址線(xiàn)SA0～SA4對應接到單片機的P2.0～P2.4，SA6和SA9接VCC，其他地址線(xiàn)全部接地。當P2.6和P2.7同時(shí)為高電平時(shí)RTL8019AS的片選信號AEN使能。RTL8019AS的I/O地址需要映射為單片機的I/O地址，這樣單片機才能操作RTL8019AS。根據電路設計，該系統中單片機的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(gè)字節。RTL8019AS除與單片機連接外，還將其網(wǎng)絡(luò )收發(fā)器的四根引腳HD、LD、TRIN+、TPIN-通過(guò)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(xiàn)控制部分

SJA1000為CAN總線(xiàn)控制器，具有多主結構、總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先權、廣播報文功能及硬件濾波功能，具有簡(jiǎn)單總線(xiàn)連接的SJA1000可完成物理層和數據鏈路層的所有功能。它具有兩種工作模式BasicCAN和PeliCAN。BasicCAN僅支持標準模式（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(xiàn)的簡(jiǎn)單接口。單片機對SAJ1000的讀寫(xiě)就像讀寫(xiě)自己的外部RAM一樣。P2.7取反后作為其片選信號線(xiàn)。因此，SJA1000對應地址為8000H～807FH。SJA1000的/INT引腳接單片機的INT1引腳，使單片機能夠實(shí)時(shí)響應CAN的中斷請求。