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

摘 要：提出一種基于ARM7芯片LPC2294微處理器和以太網(wǎng)控制器ENC28J60的以太網(wǎng)／CAN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案，闡述以太網(wǎng)／CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換的硬件設(shè)計(jì)，以及相關(guān)接口通信軟件設(shè)計(jì)。通過該網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)CAN總線與基于IP／TCP協(xié)議的以太網(wǎng)之間的雙向通信。
關(guān)鍵詞：嵌入式網(wǎng)關(guān)；不起CAN總線；以太網(wǎng)；ARM

0 引 言
    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(mèng)想，其完全成為可能，然而實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想需要花費(fèi)高額代價(jià)，智能家居迄今仍不能普及，因此設(shè)計(jì)一款性價(jià)比好的家庭控制器很有必要。CAN總線采用非破壞仲裁技術(shù)，短幀結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)出錯(cuò)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(wǎng)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(qiáng)等特點(diǎn)已成為目前最流行的因特網(wǎng)接入方案之一，因此采用CAN總線組建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，再通過網(wǎng)關(guān)與外部以太網(wǎng)相連實(shí)現(xiàn)對(duì)家居電器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的結(jié)合，已成為家居發(fā)展的趨勢(shì)。CAN與以太網(wǎng)采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，要確保兩種網(wǎng)絡(luò)之間高效無縫地連接網(wǎng)關(guān)是問題的關(guān)鍵。在此設(shè)計(jì)一種基于ENC28J60的高性能嵌入式以太網(wǎng)／CAN網(wǎng)關(guān)。

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(chǔ)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負(fù)責(zé)對(duì)以太網(wǎng)接口芯片和CAN接口芯片進(jìn)行控制。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。JTAG口主要用來下載程序，進(jìn)行系統(tǒng)仿真調(diào)試。鍵盤、LCD顯示用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換。

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(chǔ)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。同時(shí)，由于LPC2294具有多路CAN，因此還可以把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成冗余結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的可靠性。LPC2294還支持JTAG實(shí)時(shí)仿真和跟蹤，并具有128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)，它能夠使32位代碼在高達(dá)60 MHz的操作頻率下運(yùn)行。
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(duì)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。當(dāng)復(fù)位開關(guān)SW按下時(shí)，TPS383K33輸出復(fù)位信號(hào)，引腳REST輸出低電平，導(dǎo)致兩路74HCl25(三態(tài)門負(fù)邏輯控制)導(dǎo)通，信號(hào)nRST和nTRST輸出低電平使系統(tǒng)復(fù)位。在系統(tǒng)正常運(yùn)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(hào)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(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。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(duì)應(yīng)的CAN收發(fā)引腳RDl，TDl引腳相連。CTMl050T的CANH和CANL引腳之間應(yīng)串聯(lián)120 Ω的電阻，以消除電路中信號(hào)的反射等干擾。CANH和CANL與地之間還應(yīng)并聯(lián)2個(gè)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(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(píng)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(chǔ)、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(hào)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。
1．6 外擴(kuò)存儲(chǔ)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(chǔ)的空間要求，該設(shè)計(jì)擴(kuò)展了256 KB的外部存儲(chǔ)器，選用RAMTRON公司的存儲(chǔ)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(chǔ)器，具有比其他非易失性存儲(chǔ)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(jìn)行雙向傳輸，它最大可達(dá)15 MHz的操作速度，能以高速的總線速度進(jìn)行寫操作，無需延時(shí)。存儲(chǔ)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(chǔ)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。在設(shè)備各CAN寄存器初始化之前必須進(jìn)行軟件復(fù)位，這是因?yàn)镃AN的某些寄存器必須在軟復(fù)位狀態(tài)下讀寫。[!--empirenews.page--]
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(duì)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，如果有則判斷報(bào)文的類型，根據(jù)報(bào)文類型調(diào)用相應(yīng)的接收函數(shù)，處理接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。
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。軟件通過讀取Tx錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器對(duì)計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
2．2 以太網(wǎng)通信軟件設(shè)計(jì)
2．2．1 ENC28J60的初始化
    LPC2294。對(duì)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(hào)由LPC2294提供。ENC28J60初始化內(nèi)容主要有定義ENC28J60發(fā)送緩沖區(qū)的大小，設(shè)置MAC地址與IP地址、子網(wǎng)掩碼、初始化LEDA、LEDB顯示狀態(tài)，設(shè)置ENC28J60工作模式。
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(duì)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(duì)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。在驅(qū)動(dòng)中主要進(jìn)行的就是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用程序。
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。