基于ENC28J60嵌入式以太網(wǎng)／CAN網(wǎng)關(guān)設計

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，所謂遠程控制，是指管理人員在異地通過計算機網(wǎng)絡異地撥號或雙方都接入Internet等手段，聯(lián)通需被控制的計算機，將被控計算機的桌面環(huán)境顯示到自己的計算機上，通過本地計算機對遠方計算機進行配置、軟件安裝程序、修改等工作。遠程喚醒(WOL)，即通過局域網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程開機。CAN是控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Network, CAN)的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國際標準(ISO118?8)。是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。CAN與以太網(wǎng)采用的網(wǎng)絡協(xié)議，為計算機網(wǎng)絡中進行數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定的集合。例如，網(wǎng)絡中一個微機用戶和一個大型主機的操作員進行通信，由于這兩個數(shù)據(jù)終端所用字符集不同，因此操作員所輸入的命令彼此不認識。為了能進行通信，規(guī)定每個終端都要將各自字符集中的字符先變換為標準字符集的字符后，才進入網(wǎng)絡傳送，到達目的終端之后，再變換為該終端字符集的字符。當然，對于不相容終端，除了需變換字符集字符外。其他特性，如顯示格式、行長、行數(shù)、屏幕滾動方式等也需作相應的變換。

1 網(wǎng)關(guān)的硬件設計

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的硬件部分主要由ARM、以太網(wǎng)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(jié)構(gòu)如圖1所示。ARM移植TCP/IP通信協(xié)議和CAN協(xié)議，可完成以太網(wǎng)協(xié)議和CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)以太網(wǎng)接口和CAN接口通信數(shù)據(jù)的透明傳輸。以太網(wǎng)(Ethernet)指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標準。以太網(wǎng)絡使用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測)技術(shù)，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802·3系列標準相類似。

1.2 主控制器的選擇

微處理器選用PhiIips公司ARM7TDMI內(nèi)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(nèi)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(nèi)部還集成了CAN控制器，只要加上CAN總線收發(fā)器就可以構(gòu)成CAN節(jié)點，從而大大簡化了硬件電路。微處理器用一片或少數(shù)幾片大規(guī)模集成電路組成的中央處理器。這些電路執(zhí)行控制部件和算術(shù)邏輯部件的功能。微處理器與傳統(tǒng)的中央處理器相比，具有體積小，重量輕和容易模塊化等優(yōu)點。微處理器的基本組成部分有：寄存器堆、運算器、時序控制電路，以及數(shù)據(jù)和地址總線。微處理器能完成取指令、執(zhí)行指令，以及與外界存儲器和邏輯部件交換信息等操作，是微型計算機的運算控制部分。它可與存儲器和外圍電路芯片組成微型計算機。自從人類1947年發(fā)明晶體管以來，50多年間半導體技術(shù)經(jīng)歷了硅晶體管、集成電路、超大規(guī)模集成電路、甚大規(guī)模集成電路等幾代，發(fā)展速度之快是其他產(chǎn)業(yè)所沒有的。半導體技術(shù)對整個社會產(chǎn)生了廣泛的影響，因此被稱為“產(chǎn)業(yè)的種子”。中央處理器是指計算機內(nèi)部對數(shù)據(jù)進行處理并對處理過程進行控制的部件，伴隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，芯片集成密度越來越高，CPU可以集成在一個半導體芯片上。

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(diào)穩(wěn)壓器產(chǎn)生;3.3 V和l_8 V電源由可調(diào)節(jié)輸出電壓的SPXlll7產(chǎn)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(wǎng)控制器ENC28J60的復位引腳。

1.4 CAN總線接口

CAN總線接口由LPC2294和CAN總線收發(fā)器等構(gòu)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(zhuǎn)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(nèi)帶隔離器，可減少外部相關(guān)電路的設計。CAN總線接口電路如圖3所示。CAN總線通過CAN收發(fā)器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會在出現(xiàn)在RS-485網(wǎng)絡中的現(xiàn)象，即當系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡中，因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。而且，CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的。

1.5 以太網(wǎng)接口

在系統(tǒng)設計中，采用ENC28J60作為網(wǎng)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(wǎng)控制器，內(nèi)置以太網(wǎng)物理層器件(PHY)及介質(zhì)訪問控制器(MAC)，可按以太網(wǎng)協(xié)議可靠地收發(fā)信息包數(shù)據(jù)。另外，它還具有可編程8 KB雙端口SRAM緩沖器，數(shù)據(jù)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(jù)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(nèi)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(guān)設計，減小空間。網(wǎng)絡插座采用RJ45插座HR911102A，其內(nèi)置網(wǎng)絡變壓器、狀態(tài)顯示燈和電阻網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡活動狀態(tài)指示。[!--empirenews.page--]

1.6 外擴存儲器接口

由于LPC2294內(nèi)部只有16 KB的RAM，不能滿足以太網(wǎng)數(shù)據(jù)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(shù)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。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(wǎng)數(shù)據(jù)。

2 網(wǎng)關(guān)軟件設計

網(wǎng)關(guān)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(nèi)核結(jié)構(gòu)，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(wǎng)關(guān)并保存在FLASH中。

2.1 CAN通信軟件設計

該設計的關(guān)鍵是編寫CAN驅(qū)動程序，主程序通過調(diào)用CAN驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)接口數(shù)據(jù)的收發(fā)，驅(qū)動程序包括CAN控制器的初始化、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)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(nèi)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(guān)，將特定的引腳與CAN控制器連接起來。

2.1.2 數(shù)據(jù)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(jù)時先查詢CANSR寄存器是否空閑，若空閑才能寫入數(shù)據(jù)，然后判斷報文的類型，根據(jù)報文類型調(diào)用相應的發(fā)送函數(shù)，即對數(shù)據(jù)進行封裝并寫入發(fā)送緩沖區(qū)，最后調(diào)用發(fā)送命令。為了提高效率，接收數(shù)據(jù)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。

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。

2.2 以太網(wǎng)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(jù)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。

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(wǎng)絡接口，每個網(wǎng)絡接口都對應一個strut netif()。netif包含了相應網(wǎng)絡接口的屬性、收發(fā)函數(shù)。采取調(diào)用netif的方法netif→inpln()及netif→output()進行以太網(wǎng)PACket的收、發(fā)等操作。

2.3 以太網(wǎng)/CAN雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換

整個設計中最為關(guān)鍵的就是CAN協(xié)議與TCP/IP協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換。協(xié)議轉(zhuǎn)換流程圖如圖6所示。

其具體過程如下：當網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)，首先判斷數(shù)據(jù)類型，如果是從CAN接口接收CAN協(xié)議報文，便分離出數(shù)據(jù)部分，再將報文數(shù)據(jù)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(jù)存入以太網(wǎng)接口發(fā)送緩沖區(qū)，由該接口在數(shù)據(jù)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(wǎng)接口發(fā)往以太網(wǎng)。若接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jù)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(wǎng)絡中相應設備。若應用層數(shù)據(jù)長度大于8 B，則還需將數(shù)據(jù)以8 B為一組進行拆分。

3 結(jié) 語

符合IEEE802.3協(xié)議的ENC28J60不僅能提供以太網(wǎng)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(wǎng)關(guān)。用上述方法構(gòu)建的通信網(wǎng)關(guān)可實現(xiàn)以太網(wǎng)與CAN總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，為以太網(wǎng)與CAN總線網(wǎng)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。