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一种基于ARM的嵌入式网关系统设计与实现

现代电子技术 厦门理工学院 徐敏?? 2010年04月21日 ?? 收藏0

  引 言

  CAN(Controller Area Network)为控制器局域网络,CAN总线规范已经被国际标准化组织制订为国际标准ISO11898,并得到众多半导体器件厂商的支持,推出各种集成有CAN协议的产品。CAN属于总线式串行通信网络,由于其采用了许多新技术和独特的设计,低成本、高可靠性、实时性、灵活性、抗干扰能力强等特点,已被广泛应用于各个自动化控制系统中。在汽车电子、自动控制、电力系统等领域,CAN总线具有无可比拟的优越性。

  以太网以其通信数据量大、传输速度快、开放性好、成本低等优点,弥补了现场总线通信速率低的缺陷,成为现阶段信息网络应用最广的局域网技术。用以太网直接进入工业控制领域,目前还存在一些问题,以太网的媒体访问方式CSDA/CD不能保证网络传输的确定性和实时性,不能满足工业现场恶劣环境的要求。将以太网引入工业测控领域,通过与现场总线(CAN BUS)分工合作,构成两种异构网络结构,将高效的以太网和低速的现场总线相结合,解决大规模测控系统实时性和可靠性矛盾,提高整个系统的工作效率。两种异构网络的互连,需要用嵌入式网关实现。

  CAN/Ethern

et网关设计的主要任务是协议转换,要求数据解析正确完整,同时响应迅速、耗时低、实时性和安全性好。基于RISC架构的ARM微处理器指令执行效率高,软件操作平台易于建设,同时具备丰富的外围扩展电路,能满足实时多任务要求。使用ARM技术构造以太网与CAN现场总线协议转换网关是一种高效可行的方案。

  1 网关硬件系统组成

  网关的主要功能是进行以太网数据报文与CAN数据帧之间的协议转换,实现以太网与CAN总线的互联。系统的硬件组成包括CAN总线接口设计和以太网接口设计,如图1所示。

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  S3C2410是Samsung公司推出的一款低价位、低功耗、高性能的32位RISC嵌入式处理器。该芯片采用ARM920T内核,5级流水线和哈佛结构,工作频率高达266 MHz,运行速度可达1.1 MIPS。S3C2410提供了丰富的内部资源,如:SDRAM控制器、LCD控制器、3通道的UART、4通道的DMA、2个SPI模块,支持轮询、中断与DMA三种数据发送模式。虽然内部没有CAN控制器,但可以通过SPI接口进行扩展,接口电路简单,易于实现。

  CAN总线接口电路主要采用带SPI接口的独立CAN控制器MCP2510、CAN总线收发器TJA1050、高速光隔6N137和DC/DC电源隔离模块DCR010505等设备组成。独立CAN控制器MCP2510完全支持CAN总线的V 2.0A和V 2.0B的技术规范。系统设计时,将MCP2510作为从设备连接到S3C2410的SPI0口。TJA1050总线收发器是CAN控制器和物理总线之间的接口芯片,增强了总线的驱动能力。为增强CAN总线节点的抗干扰能力,MCP2510的TXCAN和RXCON并不直接与TJA1050的TXD和RXD相连,而是通过两片光电耦合器6N137与TJA1050相连,同时光隔芯片的两端电源采用DC/DC模块进行隔离。这样就实现了系统外总线CAN节点间的完全电气隔离,增强了节点的稳定性和安全性。总线两端都接有1个终端电阻(120 Ω)和1个TVS管,以消除反射信号,有效提高系统的抗干扰能力。

  以太网接口电路是在S3C2410片上扩展网络接口芯片RTL8019AS,RTL8019AS是台湾REALTEK公司生产的一种基于ISA总线的高度集成的以太网控制器。它实现了以太网媒介访问层(MAC)和物理层(PHY)的全部功能,包括MAC数据帧的收发、地址识别、循环冗余检验(Cyclic Redundancy Check,CRC)编码/校验、曼彻斯特编解码、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正等。RTL8019AS与主处理器有3种接口模式,跳线模式(Jumper),即插即用模式(PnP)和免跳线模式(Jumperless)。系统采用常见的跳线模式来选择I/O端口和中断。

  2 协议转换流程

  当CAN总线上的设备向Ethernet网发送数据时,嵌入式网关将接收到的CAN数据包解析,提取数据域中的内容;然后按照TCP/IP协议进行封装,嵌入式网关将经过封装的数据发送给以太网控制芯片RTL8019AS。由RTL8019AS自动给这些数据添加以太网物理层和逻辑链路层所需的相关信息,通过物理接口传送到以太网。反之,当以太网向CAN总线上设备发送TCP/IP数据包时,它首先将数据发送到RTL8019AS,嵌入式网关从RTL8019AS中接收到数据后,提取实际要传送的数据,然后封装成CAN总线数据格式,通过CAN总线将数据发送到网络中的现场设备。

  嵌入式网关硬件必须具有以太网接口


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