基于A(yíng)RM處理器的CAN-Ethernet通信模塊實(shí)現

　　近20 年來(lái)工業(yè)測控系統發(fā)展的趨勢是:分散控制和集中管理、標準化和開(kāi)放性。工業(yè)測控系統從傳統的集中測量控制系統轉向網(wǎng)絡(luò )化的集散控制系統。隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)高速發(fā)展和標準化程度不斷提高,以現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為基礎的開(kāi)放型集散測控系統—現場(chǎng)總線(xiàn)測控系統得到了廣泛的應用。同時(shí),以太網(wǎng)的應用也迅速向工業(yè)測控系統滲透,在工業(yè)自動(dòng)化應用中異軍突起。

　　這種趨勢的出現與計算機技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的高速發(fā)展相關(guān)?，F代工業(yè)系統信息交換的需求也已經(jīng)從管理層內部迅速覆蓋到控制、現場(chǎng)設備等各個(gè)層次,連接上層網(wǎng)絡(luò )和現場(chǎng)總線(xiàn)的通信設備成為工廠(chǎng)自動(dòng)化系統中的關(guān)鍵設備之一。CAN-Ethernet通信模塊,是一種直接連接以太網(wǎng)和CAN現場(chǎng)總線(xiàn)的設備,有效解決了控制系統中現場(chǎng)總線(xiàn)和上層信息管理層的互聯(lián)問(wèn)題,使自動(dòng)化系統中的信息交換可以深入到現場(chǎng)設備一級。

　　1 　CAN 總線(xiàn)和以太網(wǎng)的連接

　　現有的CAN 總線(xiàn)到以太網(wǎng)的通信實(shí)現方案中,采用較多的是使用一臺連接以太網(wǎng)的計算機,在計算機中安裝一塊內置式CAN通信板卡;或者通過(guò)計算機并行和串行接口外接CAN 的通信模塊。這種方法有一定局限性,例如,使用計算機體積大,成本高;計算機故障后的重啟速度慢,這可能?chē)乐赜绊懴到y的工作。采用基于A(yíng)RM微處理器的單板機系統建立CAN-Ethernet 通信模塊,可以很好地解決上述問(wèn)題,降低系統的成本,提高其性能。CAN-Ethernet通信模塊連接以太網(wǎng)和CAN 總線(xiàn)的結構如圖1 所示。在以太網(wǎng)和CAN 總線(xiàn)之間,可以?huà)旖右粋€(gè)通信模塊連接兩種網(wǎng)絡(luò ),也可以使用多個(gè)通信模塊形成多個(gè)通路。對于第二種情況,以太網(wǎng)上的計算機可以通過(guò)指定IP地址和上層協(xié)議的端口選擇通路。

圖1 　通過(guò)通信模塊連接以太網(wǎng)和CAN 總線(xiàn)

　　2 　通信模塊的硬件設計

　　信模塊的硬件核心采用高性能的ARM處理器S3C44B0x。它是一種精簡(jiǎn)指令處理器,可以在32位指令字的ARM模式下和16位指令字的Thumb模式下工作,設計者可以根據需要在性能和代碼大小之間進(jìn)行折衷;片內有8KB的高速靜態(tài)RAM,既可以作為高速緩存,也可以作為片內存儲器使用;片內外設包括異步和同步串行接口、I2C接口、LCD控制器及接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。ARM處理器還具有低能耗和高性?xún)r(jià)比,非常適用于構建性能較高的嵌入式系統。

　　通信模塊使用2片39VF040芯片,位擴展后組成512K/16bit共1MB的Flash ROM作為程序和配置數據的存儲空間,使用1片62LV25616芯片組成256K/16bit 共512B的靜態(tài)隨機存儲器。CAN總線(xiàn)通信控制芯片選用了Philips公司的SJA1000T,它是一種獨立的CAN 總線(xiàn)通信控制器,僅需要CPU給出必要的指令,控制器就可以自動(dòng)完成鏈路層以下的收發(fā)工作,并通知CPU總線(xiàn)的工作狀態(tài)。以太網(wǎng)通信控制芯片采用了臺灣Realtek公司的RTL8019as,它是一種ISA 接口的10Mb/s以太網(wǎng)卡芯片,內部包含了以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制和物理層驅動(dòng),并帶有16KB的片上緩沖RAM。

　　2. 1 　處理器和5 V 系統數據線(xiàn)的連接

　　系統中的處理器S3C44B0x 和存儲器芯片都使用3.3 V 的IO電壓,CAN總線(xiàn)接口、以太網(wǎng)接口則使用5V的工作電壓。 S3C44B0x 的數據、地址和控制信號線(xiàn)可以直接驅動(dòng)這些外圍電路芯片(參考S3C44B0x、SJA1000、RTL8019as 數據手冊) ,但是外圍電路芯片輸出的高電平可能損壞處理器和直接掛接在處理器數據線(xiàn)上的其他芯片。因此,數據線(xiàn)上應該使用總線(xiàn)轉換器進(jìn)行3.3/5V電平轉換。系統選用了兼容3.3 V和5V的信號電平的雙向總線(xiàn)收發(fā)器LCX245芯片。LCX245 的控制信號包括方向控制端DIR(0 :B →A ,1 :A →B) 和使能控制端OE(0 :接通,1 :隔斷) ,這些控制信號將使用GAL芯片產(chǎn)生。圖2 為系統的硬件連接示意圖。

圖2 　系統的硬件連接示意圖

　　GAL 芯片選用GAL16V8D-15LP ,它的傳播延遲時(shí)間為15ns ,反饋延遲時(shí)間為7ns ,適于較高速度的工作。除了產(chǎn)生總線(xiàn)收發(fā)器芯片的控制信號外,同一片GAL 還用來(lái)產(chǎn)生SJA1000 需要的控制信號。根據處理器S3C44B0x 的輸出信號, 包括為SJA1000分配的地址組選通信號nGCS3和RTL8019分配的地址組選通信號nGCS4、讀寫(xiě)信號線(xiàn)nOE和nWE,可以產(chǎn)生總線(xiàn)收發(fā)器LCX245所需要的DIR和OE信號,各信號如圖3 所示。

圖3 　LCX245 控制信號的產(chǎn)生

　　nGCSx 是處理器的地址組選通信號,S3C44B0x 將外部地址空間從地址0 開(kāi)始,每32M劃分為一個(gè)組(Bank ) ,外部尋址時(shí)地址線(xiàn)A0 ～ A24 輸出組內地址,該地址所在的組的組選通信號同時(shí)有效。圖中虛線(xiàn)代表寫(xiě)操作時(shí)的DIR 信號,實(shí)線(xiàn)為讀操作的信號。從圖中可以得到使用ABEL 語(yǔ)言描寫(xiě)的的信號生成邏輯式為: 　　
　　 OE = (nOE &nWE) # (nGCS3 &nGCS4 &nGCS5) ;
          DIR = nOE # (nGCS3 &nGCS4 &nGCS5) ; 　　
　　但是為了使系統更加穩定地工作,應保證OE 信號有效時(shí)DIR 信號不發(fā)生變化,也就是說(shuō)進(jìn)行讀操作時(shí)圖中OE 低電平脈沖的前沿應晚于DIR ,后沿應早于DIR ,這樣將出現反饋邏輯,可以使用類(lèi)似于同步時(shí)序電路的設計方法設計。圖4 是OE 信號和DIR 信號的次態(tài)卡諾圖,次態(tài)符合上述要求,并且在輸入一定的狀態(tài)下,OE 信號和DIR 信號總是每次改變一個(gè),逐次進(jìn)入最后的穩態(tài)狀態(tài)(粗體字表示) 。圖中“