基于以太網(wǎng)的控制器網(wǎng)絡(luò )的嵌入式網(wǎng)關(guān)開(kāi)發(fā)

　　本地控制器網(wǎng)絡(luò )(CAN)[2]由于低成本和高可靠性，已經(jīng)在工業(yè)分布式控制系統中廣泛使用。以太網(wǎng)的低成本和易配置特性也使得其在計算機通信網(wǎng)絡(luò )中廣泛應用。本文介紹了基于以太網(wǎng)和控制器區域網(wǎng)總線(xiàn)通信系統的集成通信網(wǎng)關(guān)系統的開(kāi)發(fā)。系統開(kāi)發(fā)的目的是在以太網(wǎng)和控制器區域網(wǎng)總線(xiàn)之間交換實(shí)時(shí)控制信息，以實(shí)現分布式控制和監測。

　　1 硬件平臺設計

　　嵌入式處理器可編程邏輯電路設計方面最大的挑戰之一就是為適合速度要求非常廣泛的應用。在低端,系統要求可能少于10MIPS;在高端，系統可能要求好幾百 MIPS。不同系統需要的范圍不同。完全滿(mǎn)足范圍需要的解決方案需要提供可編程設備配置、操作以及精通嵌入式處理器的用戶(hù)。網(wǎng)關(guān)系統的設計建立在 Altera Excalibur[3]嵌入式處理器基礎上，它可以提供最佳的解決方案，擁有較優(yōu)的適應性和強大的性能?；诤诵牟糠諷OPC[4]的ARM系統設計結構如圖 1所示?？刂破骶W(wǎng)關(guān)結構如圖2所示。

　　1.1 軟核CAN控制器設計

　　使用AMBA總線(xiàn)接口的Soft CAN控制器是為了進(jìn)行控制器網(wǎng)絡(luò )通信設計開(kāi)發(fā)的，它能在網(wǎng)關(guān)系統平臺上運行。該Soft CAN控制器具備CAN 2.0B[1]規范的所有協(xié)議功能，包括錯誤處理能力、填充位產(chǎn)生、循環(huán)冗余碼校驗(CRC)、主動(dòng)/被動(dòng)錯誤幀和擴展幀技術(shù)支持。Soft CAN控制器也能支持如下應用發(fā)展：信息過(guò)濾、信息封裝、信息發(fā)送緩沖、信息接收緩沖以及發(fā)送、接收和錯誤事件的中斷觸發(fā)。Soft CAN控制器提供AMBA兼容接口以實(shí)現數據高速傳輸，也提供中斷支持實(shí)現系統快速響應。

　　1.2 Soft CAN控制器模擬驗證

　　Soft CAN控制器模擬驗證平臺設計如圖3所示。

　　Soft CAN控制器的綜合模擬/驗證輸出波形(如圖4)說(shuō)明了其控制器工作狀態(tài)正確。

　　從圖4所示的驗證輸出結果，可以得出以下結論：

　　(1)Soft CAN控制器#1狀態(tài)：

　　“00000000000000000000000000001000” -->Soft CAN控制器正在控制CAN數據線(xiàn)信號。

　　(2)Soft CAN 控制器#2狀態(tài)：

　　“00000000000000000000000000001000” --> Soft CAN控制器正在控制CAN數據線(xiàn)信號。

　　(3)Soft CAN 控制器#1 TX緩沖器：標識 -“11101101000”，數據-“10011001100110011001100110011001”。

　　(4)Soft CAN 控制器#1 TX緩沖器：標識- NA，數據-NA。

　　2 軟件設計

　　軟件設計包括實(shí)時(shí)操作系統[5]移植、異常處理支持、設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)和文件系統開(kāi)發(fā)等。

　　2.1 實(shí)時(shí)操作系統移植

　　eCos被成功地移植到網(wǎng)關(guān)系統硬件平臺，為應用系統的開(kāi)發(fā)提供實(shí)時(shí)服務(wù)。由于eCos的分層結構使得其移植靈活并容易，所有結構和平臺的絕對代碼都在硬件抽象層(HAL)實(shí)現。

　　2.1.1 系統啟動(dòng)模式

　　本系統移植提供四種啟動(dòng)模式。

　　(1)ROM啟動(dòng)模式。在ROM啟動(dòng)模式中，應用程序儲存在EPXA1開(kāi)發(fā)板的閃存中，并從那里啟動(dòng)。

　　(2)ROM-RAM啟動(dòng)模式。在ROM-RAM啟動(dòng)模式中，應用程序存儲在閃存中。啟動(dòng)程序將先從閃存中運行，并且初始化系統。在系統初始化后，eCos應用程序將會(huì )從閃存中自動(dòng)復制到SDRAM中，接著(zhù)在SDRAM中以更高的速度運行。

　　(3)RAM啟動(dòng)模式。在RAM啟動(dòng)模式中，eCos應用程序會(huì )通過(guò)EPXA1板上的調試器(例如RedBoot加載到其板的SDRAM內存中)啟動(dòng)。這主要是為了調試。

　　2.1.2 線(xiàn)程管理

　　EPXA1 eCos移植完全支持多線(xiàn)程編程模式。除了任務(wù)同步支持外，它還提供了一系列可選擇的調度算法。

　　2.1.3 系統定時(shí)支持

　　系統的定時(shí)基準由Altera EPXA1平臺上的系統定時(shí)器提供，定時(shí)器頻率為150MHz。系統的脈沖周期為10毫秒。在EPXA1 上移植的eCos控制通過(guò)內核使用的時(shí)鐘或計時(shí)設備進(jìn)行暫停、延時(shí)和調度服務(wù)，供系統內核使用。

　　2.2 異常處理

　　所有的異常，包括FIQ和IRQ中斷[7]，都跳轉到矢量0地址，每個(gè)中斷矢量占4字節。這里僅有一個(gè)指令空間，它須立即跳轉到內存中更高地址的代碼。中斷源必須進(jìn)行解碼。由于每一個(gè)矢量服務(wù)例程都對應一個(gè)不同的CPU模式的入口，所以需要對每一個(gè)異常有一個(gè)不同的VSR，它知道怎樣從中斷控制器完全正確地保存CPU狀態(tài)。這個(gè)異常處理機制包含一個(gè)分離的中斷處理方案。在這個(gè)方案中，中斷處理劃分為兩部分。第一部分稱(chēng)之為中斷服務(wù)程序或ISR;第二部分是延遲服務(wù)程序或DSR。這種劃分明確地顧及 到了DSRs與正在執行的中斷同時(shí)運行，因此允許當正在執行低級別的中斷時(shí)其他內在具有更高優(yōu)先級別的中斷發(fā)生及接受處理。

　　2.3 設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

　　2.3.1 閃存設備驅動(dòng)程序

　　本項目開(kāi)發(fā)了基于Intel 28F320C閃存的驅動(dòng)程序。Boot-loader用它來(lái)儲存映像、配置信息和閃存內的數據。這個(gè)設備驅動(dòng)程序提供廣泛的操作支持。

　　(1)閃存查詢(xún)：可從閃存中重新獲得廠(chǎng)商和零件號碼代碼。

　　(2)閃存區塊擦除：擦掉閃存中的模塊。

　　(3)閃存編程緩沖：允許在閃存中寫(xiě)入一緩沖的數據。

　　(4)閃存區段上鎖/開(kāi)啟:允許閃存中的內容受到保護。

　　2.3.2 以太網(wǎng)接口設備驅動(dòng)程序

　　以太網(wǎng)設備驅動(dòng)程序支持以太網(wǎng)控制器SMC91C111，它可以提供雙重速度10/100Mbps的通信支持。以太網(wǎng)設備Lan91C111提供所有發(fā)送、接收與事件中斷等必要的功能，以支持與BSD TCP/IP 堆棧的集成實(shí)現TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。

　　2.3.3 Soft CAN控制器設備驅動(dòng)程序

　　此設備驅動(dòng)程序提供了對控制器區域網(wǎng)絡(luò )通信的支持，以實(shí)現發(fā)送、接收及中斷處理功能。圖5為驅動(dòng)程序流程圖。

　　2.4 嵌入式文件系統開(kāi)發(fā)

　　為了使信息保存與交換更加高效，本項目開(kāi)發(fā)了基于閃存和RAM的文件系統。該文件系統提供廣泛的文件操作支持：文件新建、文件刪除、文件復制、文件重命名和文件移動(dòng)，還有目錄支持。文件系統可以交叉操作，文件可以在基于文件系統的閃存和RAM之間實(shí)現復制或移動(dòng)。

　　2.5 調試支持

　　一般地，硬件模擬方法需要花費大量的資金。為了實(shí)現低成本設計，釆用了基于軟件的調試方法。這個(gè)基于軟件的EPXA1平臺調試工具已經(jīng)集成到該網(wǎng)關(guān)平臺中，在系統開(kāi)發(fā)中提供調試功能。這個(gè)調試器可以使用串行端口或以太網(wǎng)信道實(shí)現與主機間的通信。這個(gè)軟件調試器提供一般的調試功能，諸如：?jiǎn)尾竭\行、變量訪(fǎng)問(wèn)、處理器寄存器恢復、資源等級調試和斷點(diǎn)支持。

　　3 系統集成

　　3.1 網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)焊接控制系統應用

　　此應用提供了一個(gè)分布式的網(wǎng)絡(luò )解決方案，以監控一個(gè)分布式的實(shí)時(shí)焊接控制網(wǎng)絡(luò )。用戶(hù)可以通過(guò)因特網(wǎng)監控SMD[8]定位焊接控制網(wǎng)絡(luò )。SMD定位焊接系統如圖6所示。

　　該應用系統基于嵌入式網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器的支持，為遠程計算機動(dòng)態(tài)生成需要的網(wǎng)頁(yè)，即監控和配置。

　　3.2 系統驗證以及結論

　　該網(wǎng)關(guān)系統的實(shí)時(shí)性能可通過(guò)使用儀器運行相關(guān)任務(wù)進(jìn)行評測。對該整套實(shí)驗操作所收集到的數據進(jìn)行分析，得出平均值、最大值以及最小值;再計算出樣品方差;測量出獲得實(shí)時(shí)時(shí)鐘計時(shí)數值所需的時(shí)間，再減去其他時(shí)間。所得到的數據說(shuō)明，網(wǎng)關(guān)系統可以滿(mǎn)足網(wǎng)關(guān)系統計數需求的實(shí)時(shí)性能。

　　為了確保監控系統的網(wǎng)頁(yè)不會(huì )丟失任何控制器區域網(wǎng)信息，已采取了如下結構的接收計時(shí)測量方法：網(wǎng)絡(luò )監控系統的控制器網(wǎng)絡(luò )通信速度為125Kbps，系統運行頻率為75MHz，控制器區域網(wǎng)絡(luò )標準限制了最小間幀間隔為3位節拍。因而一個(gè)滿(mǎn)荷的控制器網(wǎng)絡(luò )中，控制器區域網(wǎng)絡(luò )信息幀之間的空閑時(shí)間可以用式(1)計算：

　　從eCos的實(shí)時(shí)特性所顯示的結果，可以得到中斷反應時(shí)間為5.31微秒。所以可以從式(2)得到計時(shí)結果。

　　通過(guò)以上驗證得知，網(wǎng)絡(luò )監控系統網(wǎng)頁(yè)能夠監控SMD定位焊接控制網(wǎng)絡(luò )，即使網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)滿(mǎn)荷時(shí)也不會(huì )丟失任何一個(gè)實(shí)時(shí)的監控信息。