基于ENC28J60的嵌入式以太網／CAN網關設計

摘 要：提出一種基于ARM7芯片LPC2294微處理器和以太網控制器ENC28J60的以太網／CAN網關設計方案，闡述以太網／CAN協(xié)議轉換的硬件設計，以及相關接口通信軟件設計。通過該網關可以實現(xiàn)CAN總線與基于IP／TCP協(xié)議的以太網之間的雙向通信。
關鍵詞：嵌入式網關；不起CAN總線；以太網；ARM

0 引 言
    隨著Internet的普及，實現(xiàn)智能家居遠程控制不再是人們的夢想，其完全成為可能，然而實現(xiàn)這個夢想需要花費高額代價，智能家居迄今仍不能普及，因此設計一款性價比好的家庭控制器很有必要。CAN總線采用非破壞仲裁技術，短幀結構和數(shù)據出錯率極低，可以滿足控制系統(tǒng)安全性、可靠性、快捷性的要求。目前以太網以成本低，通信速度快，兼容性和互操作性好，資源共享能力強等特點已成為目前最流行的因特網接入方案之一，因此采用CAN總線組建家庭內部網絡，再通過網關與外部以太網相連實現(xiàn)對家居電器設備的遠程控制，實現(xiàn)CAN網絡與以太網的結合，已成為家居發(fā)展的趨勢。CAN與以太網采用的網絡協(xié)議，要確保兩種網絡之間高效無縫地連接網關是問題的關鍵。在此設計一種基于ENC28J60的高性能嵌入式以太網／CAN網關。

1 網關的硬件設計
1．1 系統(tǒng)硬件結構
    該系統(tǒng)的硬件部分主要由ARM、以太網接口、CAN接口、高速存儲器、JTAG口、復位電路和電源等組成，其系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。ARM負責對以太網接口芯片和CAN接口芯片進行控制。ARM移植TCP／IP通信協(xié)議和CAN協(xié)議，可完成以太網協(xié)議和CAN總線協(xié)議轉換，實現(xiàn)以太網接口和CAN接口通信數(shù)據的透明傳輸。JTAG口主要用來下載程序，進行系統(tǒng)仿真調試。鍵盤、LCD顯示用來實現(xiàn)人機交換。

1．2 主控制器的選擇
    微處理器選用PhiIips公司ARM7TDMI內核的32位微控制器LPC2294，與一般單片機相比，LPC2294可嵌入操作系統(tǒng)。LPC2294內嵌256 KB的高速FLASH存儲器和16 KB的靜態(tài)RAM，多個外部中斷和串行口，LPC2294內部還集成了CAN控制器，只要加上CAN總線收發(fā)器就可以構成CAN節(jié)點，從而大大簡化了硬件電路。同時，由于LPC2294具有多路CAN，因此還可以把系統(tǒng)設計成冗余結構，以提高系統(tǒng)的可靠性。LPC2294還支持JTAG實時仿真和跟蹤，并具有128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構，它能夠使32位代碼在高達60 MHz的操作頻率下運行。
1．3 系統(tǒng)電源電路和復位電路
    在該設計中，需要使用5 V，3．3 V和1．8 V的直流穩(wěn)壓電源。其中，5 V電源由LM317L三端可調穩(wěn)壓器產生；3．3 V和l_8 V電源由可調節(jié)輸出電壓的SPXlll7產生。系統(tǒng)復位電路的可靠性對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定起著非常重要的作用。在復位電路中采用了電壓監(jiān)控芯片TPS383K33，它是10 ms或200。ms可選的上電復位發(fā)生器，具有防按鍵抖動的手動復位輸入功能，允許組成多個Ic的菊花鏈電壓監(jiān)控等。復位電路如圖2所示。圖2中，nRST連接到LPC2294的復位腳RESET；nTRST接以太網控制器ENC28J60的復位引腳。當復位開關SW按下時，TPS383K33輸出復位信號，引腳REST輸出低電平，導致兩路74HCl25(三態(tài)門負邏輯控制)導通，信號nRST和nTRST輸出低電平使系統(tǒng)復位。在系統(tǒng)正常運行情況下，TPS383K33的引腳REST輸出高電平，兩路74HCl25截止，上拉電阻R1，R2將信號nRST和nTRST上拉為高電平。

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1．4 CAN總線接口
    CAN總線接口由LPC2294和CAN總線收發(fā)器等構成。這里采用帶隔離的高速cAN收發(fā)器CTMl050T，其主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，并且具有(DC2500V)隔離功能、ESD保護功能及TVS管防總線過壓功能，其內帶隔離器，可減少外部相關電路的設計。CAN總線接口電路如圖3所示。CTMl050T的接收引腳RXD、發(fā)送引腳TXD串接390 Ω的電阻分別與LPC2294對應的CAN收發(fā)引腳RDl，TDl引腳相連。CTMl050T的CANH和CANL引腳之間應串聯(lián)120 Ω的電阻，以消除電路中信號的反射等干擾。CANH和CANL與地之間還應并聯(lián)2個30 pF的小電容，這樣即可消除總線上的高頻干擾和電磁輻射。

1．5 以太網接口
    在系統(tǒng)設計中，采用ENC28J60作為網絡接口芯片。ENC28J60是美國微芯科技公司推出的28引腳獨立以太網控制器，內置以太網物理層器件(PHY)及介質訪問控制器(MAC)，可按以太網協(xié)議可靠地收發(fā)信息包數(shù)據。另外，它還具有可編程8 KB雙端口SRAM緩沖器，數(shù)據傳輸速率高達10 Mb／s。ENC28J60具有多種集成功能，如CRC校驗、可編程過濾、可自動評價、接收或拒收多種信息包、數(shù)據濾波等功能，能高效率地進行信息包的存儲、檢索和修改，可減輕主控微處理器的內存負荷。ENC28J60采用標準的SPI串行接口，只需4條連線即可實現(xiàn)與微處理器相連，而且它只有28個引腳，可以大大簡化相關設計，減小空間。網絡插座采用RJ45插座HR911102A，其內置網絡變壓器、狀態(tài)顯示燈和電阻網絡，具有信號耦合電氣隔離、阻抗匹配、抑制干擾等特點，可提高系統(tǒng)抗干擾能力和收發(fā)的穩(wěn)定性。以太網接口電路如圖4所示。圖4中ENC28J60的2個中斷引腳INT和WOL分別接LPC2294的EINTl，EINT2；ENC28J60的SPI腳SO，SI，SCK，CS分別接LPC2294的腳MISO1，MISll，SCKl，CSl，2個專用的引腳(LEDA，LEDB)用于連接HR911102A的LEDG，LEDY，進行網絡活動狀態(tài)指示。
1．6 外擴存儲器接口
    由于LPC2294內部只有16 KB的RAM，不能滿足以太網數(shù)據存儲的空間要求，該設計擴展了256 KB的外部存儲器，選用RAMTRON公司的存儲器芯片F(xiàn)M25256。FM25256是采用先進的鐵電技術制造的非易失性存儲器，具有比其他非易失性存儲器高得多的讀寫操作次數(shù)，可以承受超過一萬億次的讀寫操作。FM25256使用串行SPI接口及其傳輸規(guī)約進行雙向傳輸，它最大可達15 MHz的操作速度，能以高速的總線速度進行寫操作，無需延時。存儲器接口電路如圖5所示。

    圖5中FM25256的SPI腳SO，SI，SCK，CS分別與LPC2294的MISOO，MISl0，SCK0，CS2腳相連。寫保護引腳WP與LPC2294的P2．21相連。FM25256主要用來存儲以太網數(shù)據。

2 網關軟件設計
    網關的軟件設計采用嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ，它具有較小的內核結構，開發(fā)成本小，執(zhí)行效率高，移植也容易。初始化文件通過JTAG下載到網關并保存在FLASH中。
2．1 CAN通信軟件設計
    該設計的關鍵是編寫CAN驅動程序，主程序通過調用CAN驅動程序實現(xiàn)接口數(shù)據的收發(fā)，驅動程序包括CAN控制器的初始化、接收數(shù)據、發(fā)送數(shù)據和總線異常處理。
2．1．1 CAN控制器的初始化
    初始化操作包括硬件使能CAN、軟件復位、設備報警界限、設置總線波特率、設置中斷工作方式、設置CAN驗收過濾器工作方式、設置控制器的工作模式和啟動CAN等。LPC2294片內外設與引腳的連接由引腳連接模塊控制。CAN控制器的硬件使能就是通過軟件設備GPIO寄存器來控制多路開關，將特定的引腳與CAN控制器連接起來。在設備各CAN寄存器初始化之前必須進行軟件復位，這是因為CAN的某些寄存器必須在軟復位狀態(tài)下讀寫。[!--empirenews.page--]
2．1．2 數(shù)據的接收與發(fā)送
    LPC2294的每個CAN控制器中有3個發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送數(shù)據時先查詢CANSR寄存器是否空閑，若空閑才能寫入數(shù)據，然后判斷報文的類型，根據報文類型調用相應的發(fā)送函數(shù)，即對數(shù)據進行封裝并寫入發(fā)送緩沖區(qū)，最后調用發(fā)送命令。為了提高效率，接收數(shù)據采用中斷方式，首先在CANopen的初始化程序中要使能接收中斷，當有中斷發(fā)生，讀取CANICR寄存器，判斷接收中斷標志是否置位，如果有則判斷報文的類型，根據報文類型調用相應的接收函數(shù)，處理接收緩沖區(qū)的數(shù)據。
2．1．3 異常處理
    在總線發(fā)生嚴重故障的情況下，CAN節(jié)點脫離總線，此時下述寄存器位被置位為CANSR的BS位、CANIR的BEI位和EI位(如果使能)和CAN-MOD的RM位。RM將許多CAN控制器功能復位和禁止。軟件下一步必須置零RM位。發(fā)送錯誤計數(shù)器將遞減計數(shù)總線釋放條件(11個連續(xù)的隱性位)的第128個錯誤。軟件通過讀取Tx錯誤計數(shù)器對計數(shù)器遞減計數(shù)的情況進行監(jiān)測。
2．2 以太網通信軟件設計
2．2．1 ENC28J60的初始化
    LPC2294。對ENC28J60的各種操作均通過SPI接口進行，包括寄存器的設置、數(shù)據的發(fā)送和接收。LPC2294的SPI工作在主動方式，即ENC28J60的SPI時鐘信號由LPC2294提供。ENC28J60初始化內容主要有定義ENC28J60發(fā)送緩沖區(qū)的大小，設置MAC地址與IP地址、子網掩碼、初始化LEDA、LEDB顯示狀態(tài)，設置ENC28J60工作模式。
2．2．2 TCP／IP協(xié)議
    該設計采用嵌入式系統(tǒng)中廣泛應用的LwIP協(xié)議棧。LwIP TCP／IP實現(xiàn)的特點是在保持協(xié)議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，這使協(xié)議棧LwIP適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。LwIP協(xié)議棧應用到的協(xié)議有ARP，IP，IcMP，TCP，UDP，其具有滑動窗口、擁塞控制和接收分片的分組功能。在LwIP中可以有多個網絡接口，每個網絡接口都對應一個strut netif()。netif包含了相應網絡接口的屬性、收發(fā)函數(shù)。采取調用netif的方法netif→inpln()及netif→output()進行以太網packet的收、發(fā)等操作。在驅動中主要進行的就是實現(xiàn)網絡口的收、發(fā)、初始化以及中斷處理。LwIP協(xié)議中沒有提供HTTP協(xié)議，所以需要用原始API函數(shù)編寫HTTP應用程序。
2.3 以太網/CAN雙向協(xié)議轉換
    整個設計中最為關鍵的就是CAN協(xié)議與TCP/IP協(xié)議的相互轉換。協(xié)議轉換流程圖如圖6所示。

    其具體過程如下：當網關接收到數(shù)據，首先判斷數(shù)據類型，如果是從CAN接口接收CAN協(xié)議報文，便分離出數(shù)據部分，再將報文數(shù)據部分按系統(tǒng)規(guī)定的應用層格式進行封裝，然后將應用層數(shù)據存入以太網接口發(fā)送緩沖區(qū)，由該接口在數(shù)據前面依次添加TCP或UDP頭、IP頭、以太幀頭，最后封裝成以太幀后，通過以太網接口發(fā)往以太網。若接收到的以太網數(shù)據，數(shù)據轉換過程相反，依次去掉IP頭、TCP或UDP頭和應用層頭，再將應用層數(shù)據按CAN報文格式封裝好后存入CAN接口發(fā)送緩沖區(qū)，由CAN接口發(fā)往CAN網絡中相應設備。若應用層數(shù)據長度大于8 B，則還需將數(shù)據以8 B為一組進行拆分。

3 結 語
    符合IEEE802.3協(xié)議的ENC28J60不僅能提供以太網通信的相應功能，而且體積小，能夠簡化設計，可以設計出較小的嵌入式網關。用上述方法構建的通信網關可實現(xiàn)以太網與CAN總線之間的協(xié)議轉換，為以太網與CAN總線網絡的互聯(lián)提供了一種傳輸速度快，成本低，穩(wěn)定性和安全性高的解決方案。