基于LPC2294的CAN總線主節(jié)點設計

摘要：為引入CAN總線技術以實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)的網絡化。提出了基于LPC2294的CAN總線主節(jié)點的硬件及軟件設計方案。硬件采用基于ARM7內核的微控制器LPC2294，使用CTM1050T作為CAN收發(fā)器，設計了帶有CAN總線以及以太網接口的硬件電路，并進行了SRAM、NORFLASH與NAND FLASH的擴展。軟件采用μCLinux作為操作系統(tǒng)，并開發(fā)了CAN控制器的驅動程序，實現(xiàn)了CAN總線的各種功能。通過制作樣機并進行實驗，驗證了這一方案的有效性。
關鍵詞：LPC2294；CAN；主節(jié)點；μCLinux

    CAN(Controller Area Network)即控制器局域網絡，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，已經成為計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網的標準總線。網絡化運動控制系統(tǒng)(Networked Motion Control Systems)就是構建在控制器與電機驅動器之間，能夠實時、同步地傳送運動控制指令和接收運動狀態(tài)，并且控制閉環(huán)通過網絡連接的運動控制系統(tǒng)。為引入CAN總線技術以實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)的網絡化，筆者提出一種基于LPC2294的CAN總線主控制節(jié)點的硬件及軟件設計方案，具有高性能、高可靠及良好擴展性的特點，非常適用于運動控制系統(tǒng)。

1 總體設計
    主節(jié)點采用ARM7內核的LPC2294微控制器，使用RTL8019AS作為以太網控制器，軟件上采用具有網絡功能強、性能穩(wěn)定、移植性好的μCLi nux作為操作系統(tǒng)?；贑AN總線的運動控制系統(tǒng)，主要由1個主節(jié)點(主控制器節(jié)點)、若干個從節(jié)點(電機控制節(jié)點)以及1臺計算機構成，主節(jié)點與從節(jié)點之間通過CAN總線進行通信，主節(jié)點與計算機之間則通過以太網進行通信，如圖1所示。

    主節(jié)點主要功能包括：1)通過CAN總線發(fā)送電機控制信息給從節(jié)點，并接收各從節(jié)點的反饋信息：2)通過以太網與計算機監(jiān)控端進行通信，以實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
1．1 整體硬件設計
    主節(jié)點整體硬件結構如圖2所示。

    主節(jié)點采用的LPC2294基于ARM7TDMI內核的32位處理器，帶有256kB高速FLASH、16kB靜態(tài)RAM，內部集成4路CAN控制器，支持SRAM、FALSH擴展。由于LPC2294內部集成CAN，因此外部只需CAN收發(fā)器與之連接。CAN收發(fā)器選用周立功的CTMl050T。CTM1050T是一款帶隔離的高速CAN收發(fā)器，主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，并具有隔離功能(DC2500 V)、ESD保護功能及TVS管防總線過壓功能。  LPC2294具有外部存儲器控制器(EMC)，通過該部件可以擴展更多的FLASH和SRAM以及以太網、USB等外設。主節(jié)點采用RTL8019AS作為以太網控制器，分別使用MT45W4MW16、SST39VF1601、K9F2G08UOA進行SRAM、NORFLASH、NANDFLASH的擴展。
1．2 軟件結構
    主節(jié)點軟件結構如圖3所示，U-Boot作為BootLoader(啟動引導程序)，負責初始化目標板硬件與引導操作系統(tǒng)。這里采用μCLinux作為嵌入式操作系統(tǒng)。μCLinux(microcontrol linux)即“微控制器領域中的Linux系統(tǒng)”，主要是針對目標處理器沒有存儲管理單元(MMU)的嵌入式系統(tǒng)而設計的。它保留了Linux的大多數(shù)優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網絡功能、對各種文件系統(tǒng)完備的支持和標準豐富的API。同時μCLinux包含大量的設備驅動程序，以及提供良好的驅動程序開發(fā)框架。驅動程序開發(fā)或配置主要包括CAN、以太網以及NANDFLASH3大部分。上層應用程序通過使用CAN接口函數(shù)、Socket接口以及庫函數(shù)進行各種應用開發(fā)。整個系統(tǒng)的啟動過程是：U-Boot把μCLinux內核從NORFLASH中加載到SRAM中，然后啟動μCLinux，μCLinux初始化硬件及建立運行環(huán)境后，自動運行預設的應用程序。

2 硬件設計
2．1 LPC2294最小系統(tǒng)
    LPC2294采用LQFP144封裝，最小系統(tǒng)需要模擬和數(shù)字3．3 V電源以及核心電源1．8 V。為了便于串口波特率的設置，外部接11．0 592 MHz晶振。P2．26(BOOT0)通過10 kΩ電阻上拉，P2．27(BOOT1)接一跳線座，通過跳線讓P2．27可選擇接高電平或低電平以選擇從內部FLASH或外部NORFLASH啟動。由CAT1025構成手動復位監(jiān)控電路，提高了系統(tǒng)的可靠性。當SW按鍵按下時，CAT1025的2引腳輸出持續(xù)為大于150 ms的低電平，LPC2294復位。在CAT1025的2引腳通過10 kΩ電阻上拉，防止產生錯誤的引腳輸出狀態(tài)，復位電路如圖4所示。

2．2 SRAM和NORFLASH電路
    為了運行μCLinux操作系統(tǒng)，必須擴展系統(tǒng)RAM與FLASH。LPC2294具有外部存儲器控制器(EMC)，該部件可同時支持多達4個單獨配置的存儲器組。每個存儲器組都支持SRAM、ROM、Flash EPROM、Burst ROM以及外部I／O設備。主節(jié)點外部存儲器地址分配情況如表1。

    主節(jié)點采用的SRAM和NORFLASH分別是MT45W4MW16、SST39VF1601。MT45W4MW16是一個16位、8 MB容量的PSRAM。SST39VF1601是一個16位的CMOS多功能Flash MPF器件，儲存容量為2 MB。其電路連接如圖5、圖6所示。

2．3 NANDFLASH電路
    NANDFLASH用作存放μCLinux的根文件系統(tǒng)和應用程序，使用Jff2文件系統(tǒng)格式。NANDFLASH采用三星公司的K9F2G08UOA，存儲容量為256 M。NANDFLASH的數(shù)據接口為8位串行接口，使用nCS2作為片選線，地址區(qū)間使用0x8200 0000—0x82FF FFFF，CLE(指令使能)和ALE(地址使能)分別連接到地址總線A2和A3，因此NANDFLASH的數(shù)據寫入地址為0x82000000，命令寫入地址為0x82000004，地址寫入地址為0x82000008。R／B(準備／忙等待)連接到P1．18，用于讀取當前狀態(tài)，此引腳須上拉。其電路連接如圖7所示。

2．4 CAN接口電路
    LPC2294內部集成了4路CAN控制器。每個總線上的數(shù)據傳輸速率高達1 Mb／s，兼容CAN2．0B。LPC2294沒有集成CAN收發(fā)器，無法將TTL電平轉換為CAN總線的差分電平信號。因此主節(jié)點采用了帶有隔離功能的CTM1050T作為CAN收發(fā)器。在CAN總線兩端須連接120Ω的電阻，以匹配總線阻抗，提高數(shù)據通信的抗干擾性及可靠性。以下是1路CAN收發(fā)器的電路圖，其余3路連接方式與此一樣。
2．5 以太網電路
    主節(jié)點采用RTL8019AS作為以太網控制器。RTL8019AS是一種全雙工即插即用的以太網控制器，已集成了RTL8019內核和一個16 kB的SDR AM存儲器。它兼容RTL8019控制軟件和NE2000 8 bit或16 bit的傳輸。網絡接口采用帶網絡變壓器的HR901170A。RTL8019AS使用的片選線為nCS3，地址范圍為0x8300 0000-0x83FF FFFF，由于只有256 B的寄存器，因此可操作地址范圍為0x8300 0000-0x8300 00FF。RTL8019AS使用20M晶振。

3 軟件設計
3．1 U-Boot移植
    U-Boot(Universal Boot Loader)是遵循GPL條款的開放源碼項目。從FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步發(fā)展演化而來，支持多種嵌入式操作系統(tǒng)內核與微處理器系列。U-Boot的啟動過程：初始化目標板硬件。給嵌入式操作系統(tǒng)提供板上硬件資源信息，加載、引導嵌入式操作系統(tǒng)。主節(jié)點使用U-Boot-2009-01，它不僅支持ARM-720T內核，而且間接提供了對LPC2294的板級支持。U-Boot的移植過程：首先通過修改star t．s文件設定系統(tǒng)主頻：然后針對U-Boot所支持的LPC2292硬件資源配置信息作必要的修改，如外部存儲器控制器(EMC)、以太網控制器等的硬件連接信息；接下來修改串口驅動代碼使之與系統(tǒng)主頻匹配；最后通過配置菜單配置U-Boot，主要配置所需要的命令和所要支持的硬件。
3．2 μCLinux移植
    LPC2294沒有MMU單元，不能運行定制的Linux，只能使用μCLinux。主節(jié)點移植的μCLinux版本號為2．6．25。從該版本開始，μCLinux支持CAN總線驅動。移植過程如下：
    1)打Philips公司針對該芯片提供的官方補??；
    2)修改NANDFLASH部分的驅動程序；
    3)配置μCLinux內核；
    4)交叉編譯內核。
    所需源碼及補丁文件如表2所示。

    移植需要修改的部分驅動代碼：
    1)修改arch／arm／math-lpc22xx／head．s因為μCLinux假設運行前已由BootLoader完成基本硬件初始化工作，因此不再進行系統(tǒng)時鐘頻率、串口初始化等基本硬件的初始化。在head．s文件中包括初始化存儲器控制器、系統(tǒng)分頻器PLL等部分代碼，需要更改這部分代碼，使之與U-Boot中Lowlevel_init．s文件的描述一致。另外μCLinux運行前必須由BootLoader將其內核裝入內存偏移量為0x80000000的地方，因此要保證在μCLinux源碼中的對應設置與啟動引導程序的初始化設置相同。
    2)修改NANDFLASH驅動代碼
    μCLinux內核從2．6．14開始更改了NANDFLASH的驅動代碼，使驅動更加智能化，不再需要寫讀寫函數(shù)，只需要實現(xiàn)讀寫時序函數(shù)。時序函數(shù)只關心如何來發(fā)送指令到NANDFLASH，例如寫指令周期需要對ALE線使能，那么μCLinux下的讀寫函數(shù)會給這個時序函數(shù)發(fā)送一段指令中包含使能ALE線的指令，然后將數(shù)據寫到數(shù)據總線上，CLE的實現(xiàn)與之相類似。
3．3 CAN控制器驅動設計
    對于微處理器來說，CAN控制器完全是基于事件觸發(fā)的，即CAN控制器會在本身狀態(tài)發(fā)生改變時，會將狀態(tài)變化的結果告訴微處理器。所以微處理器處理CAN控制器時，可以采用中斷的方式，也可以采用輪詢查看CAN控制器狀態(tài)的方式來對CAN控制器做出相應的處理。在μCLinux下CAN驅動程序設計包括初始化函數(shù)、讀函數(shù)、寫函數(shù)、中斷服務函數(shù)等設計，使用文件指針注冊設備，用戶程序則通過對設備文件的操作來收發(fā)CAN總線數(shù)據。CAN驅動程序主要功能包括：
    1)CAN控制器的初始化CAN控制器的初始化工作包括硬件使能CAN、設置管腳連接、軟件復位、設置CAN報警界限、設置總線波特率、設置中斷工作方式、設置CAN驗收過濾器的工作方式以及啟動等。
    2)CAN總線數(shù)據發(fā)送先將數(shù)據送到發(fā)送緩沖區(qū)，然后對發(fā)送寄存器賦值以啟動發(fā)送。CAN控制器只負責發(fā)送，并不保證發(fā)送成功。因此要知道是否發(fā)送成功，須查詢TCS狀態(tài)位，或配合發(fā)送成功中斷來判斷。
    3)CAN總線數(shù)據接收CAN總線數(shù)據接收通過讀取狀態(tài)寄存器查詢當前緩沖區(qū)中是否有數(shù)據，當有數(shù)據時將數(shù)據讀出并放到CAN接收環(huán)形數(shù)據存儲區(qū)中，當用戶程序需要數(shù)據時則從該緩存區(qū)中讀出。
    4)CAN中斷處理 通過中斷獲知CAN控制器的當前狀態(tài)，然后做出相應的處理，包括接收中斷處理、發(fā)送中斷處理以及異常中斷處理。中斷處理由中斷服務函數(shù)實現(xiàn)。

4 結論
    本文提出一種基于LPC2294微控制器，使用μCLinux作為操作系統(tǒng)的CAN主節(jié)點軟硬件設計方案。主節(jié)點通過擴展SRAM、FLASH提高了系統(tǒng)的性能，采用帶隔離功能的CAN收發(fā)器增強了CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，外接以太網控制器實現(xiàn)了計算機遠程監(jiān)控。基于μCLinux的軟件系統(tǒng)既提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、應用軟件的開發(fā)效率，又使得眾多的Linux平臺軟件可容易地移植到主節(jié)點，增強系統(tǒng)的功能。通過制作了樣機并進行實驗，驗證了這一方案的有效性。