基于ENC28J60嵌入式以太網(wǎng)／CAN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

隨著Internet的普及，實(shí)現(xiàn)智能家居遠(yuǎn)程控制不再是人們的夢想，所謂遠(yuǎn)程控制，是指管理人員在異地通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)異地?fù)芴柣螂p方都接入Internet等手段，聯(lián)通需被控制的計(jì)算機(jī)，將被控計(jì)算機(jī)的桌面環(huán)境顯示到自己的計(jì)算機(jī)上，通過本地計(jì)算機(jī)對遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)進(jìn)行配置、軟件安裝程序、修改等工作。遠(yuǎn)程喚醒(WOL)，即通過局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開機(jī)。CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(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(biāo)準(zhǔn)(ISO118?8)。是國際上應(yīng)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。CAN與以太網(wǎng)采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定的集合。例如，網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)微機(jī)用戶和一個(gè)大型主機(jī)的操作員進(jìn)行通信，由于這兩個(gè)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(rèn)識。為了能進(jìn)行通信，規(guī)定每個(gè)終端都要將各自字符集中的字符先變換為標(biāo)準(zhǔn)字符集的字符后，才進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)傳送，到達(dá)目的終端之后，再變換為該終端字符集的字符。當(dāng)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(dòng)方式等也需作相應(yīng)的變換。

1 網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

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(fù)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(shí)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(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)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(yùn)行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802·3系列標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(gè)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(diǎn)，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(diǎn)。微處理器的基本組成部分有：寄存器堆、運(yùn)算器、時(shí)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(jì)算機(jī)的運(yùn)算控制部分。它可與存儲器和外圍電路芯片組成微型計(jì)算機(jī)。自從人類1947年發(fā)明晶體管以來，50多年間半導(dǎo)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(dǎo)體技術(shù)對整個(gè)社會(huì)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(jì)算機(jī)內(nèi)部對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對處理過程進(jìn)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(gè)半導(dǎo)體芯片上。

1.3 系統(tǒng)電源電路和復(fù)位電路

在該設(shè)計(jì)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(fù)位電路的可靠性對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定起著非常重要的作用。在復(fù)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(fù)位發(fā)生器，具有防按鍵抖動(dòng)的手動(dòng)復(fù)位輸入功能，允許組成多個(gè)IC的菊花鏈電壓監(jiān)控等。復(fù)位電路如圖2所示。圖2中，nRST連接到LPC2294的復(fù)位腳RESET;nTRST接以太網(wǎng)控制器ENC28J60的復(fù)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(hù)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(shè)計(jì)。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(gè)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(huì)在出現(xiàn)在RS-485網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)象，即當(dāng)系統(tǒng)有錯(cuò)誤，出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響，從而保證不會(huì)出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個(gè)別節(jié)點(diǎn)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(shí)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(shè)計(jì)中，采用ENC28J60作為網(wǎng)絡(luò)接口芯片。ENC28J60是美國微芯科技公司推出的28引腳獨(dú)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(dá)10 Mb/s。ENC28J60具有多種集成功能，如CRC校驗(yàn)、可編程過濾、可自動(dòng)評價(jià)、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(jìn)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(fù)荷。ENC28J60采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，只需4條連線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器相連，而且它只有28個(gè)引腳，可以大大簡化相關(guān)設(shè)計(jì)，減小空間。網(wǎng)絡(luò)插座采用RJ45插座HR911102A，其內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)變壓器、狀態(tài)顯示燈和電阻網(wǎng)絡(luò)，具有信號耦合電氣隔離、阻抗匹配、抑制干擾等特點(diǎn)，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(gè)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(gè)專用的引腳(LEDA，LEDB)用于連接HR911102A的LEDG，LEDY，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀態(tài)指示。[!--empirenews.page--]

1.6 外擴(kuò)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(shè)計(jì)擴(kuò)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(jìn)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(hù)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(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是編寫CAN驅(qū)動(dòng)程序，主程序通過調(diào)用CAN驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)接口數(shù)據(jù)的收發(fā)，驅(qū)動(dòng)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(fù)位、設(shè)備報(bào)警界限、設(shè)置總線波特率、設(shè)置中斷工作方式、設(shè)置CAN驗(yàn)收過濾器工作方式、設(shè)置控制器的工作模式和啟動(dòng)CAN等。LPC2294片內(nèi)外設(shè)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(shè)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(gè)CAN控制器中有3個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)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(bào)文的類型，根據(jù)報(bào)文類型調(diào)用相應(yīng)的發(fā)送函數(shù)，即對數(shù)據(jù)進(jìn)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(dāng)有中斷發(fā)生，讀取CANICR寄存器，判斷接收中斷標(biāo)志是否置位。

2.1.3 異常處理

在總線發(fā)生嚴(yán)重故障的情況下，CAN節(jié)點(diǎn)脫離總線，此時(shí)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(fù)位和禁止。軟件下一步必須置零RM位。發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器將遞減計(jì)數(shù)總線釋放條件(11個(gè)連續(xù)的隱性位)的第128個(gè)錯(cuò)誤。

2.2 以太網(wǎng)通信軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 ENC28J60的初始化

LPC2294。對ENC28J60的各種操作均通過SPI接口進(jìn)行，包括寄存器的設(shè)置、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。LPC2294的SPI工作在主動(dòng)方式，即ENC28J60的SPI時(shí)鐘

信號由LPC2294提供。

2.2.2 TCP/IP協(xié)議

該設(shè)計(jì)采用嵌入式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的LwIP協(xié)議棧。LwIP TCP/IP實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)是在保持協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)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(yīng)用到的協(xié)議有ARP，IP，IcMP，TCP，UDP，其具有滑動(dòng)窗口、擁塞控制和接收分片的分組功能。在LwIP中可以有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口都對應(yīng)一個(gè)strut netif()。netif包含了相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(gè)設(shè)計(jì)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(dāng)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(bào)文，便分離出數(shù)據(jù)部分，再將報(bào)文數(shù)據(jù)部分按系統(tǒng)規(guī)定的應(yīng)用層格式進(jìn)行封裝，然后將應(yīng)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(yīng)用層頭，再將應(yīng)用層數(shù)據(jù)按CAN報(bào)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(luò)中相應(yīng)設(shè)備。若應(yīng)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(jìn)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(yīng)功能，而且體積小，能夠簡化設(shè)計(jì)，可以設(shè)計(jì)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(shí)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(luò)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。