基于ARM的嵌入式網(wǎng)關系統(tǒng)設計與實現(xiàn)策略
CAN(Controller Area Network)為控制器局域網(wǎng)絡，CAN總線規(guī)范已經被國際標準化組織制訂為國際標準ISO11898，并得到眾多半導體器件廠商的支持，推出各種集成有CAN協(xié)議的產品。CAN屬于總線式串行通信網(wǎng)絡，由于其采用了許多新技術和獨特的設計，低成本、高可靠性、實時性、靈活性、抗干擾能力強等特點，已被廣泛應用于各個自動化控制系統(tǒng)中。在汽車電子、自動控制、電力系統(tǒng)等領域，CAN總線具有無可比擬的優(yōu)越性。
以太網(wǎng)以其通信數(shù)據(jù)量大、傳輸速度快、開放性好、成本低等優(yōu)點，彌補了現(xiàn)場總線通信速率低的缺陷，成為現(xiàn)階段信息網(wǎng)絡應用最廣的局域網(wǎng)技術。用以太網(wǎng)直接進入工業(yè)控制領域，目前還存在一些問題，以太網(wǎng)的媒體訪問方式CSDA／CD不能保證網(wǎng)絡傳輸?shù)拇_定性和實時性，不能滿足工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求。將以太網(wǎng)引入工業(yè)測控領域，通過與現(xiàn)場總線(CAN BUS)分工合作，構成兩種異構網(wǎng)絡結構，將高效的以太網(wǎng)和低速的現(xiàn)場總線相結合，解決大規(guī)模測控系統(tǒng)實時性和可靠性矛盾，提高整個系統(tǒng)的工作效率。兩種異構網(wǎng)絡的互連，需要用嵌入式網(wǎng)關實現(xiàn)。
CAN／Ethernet網(wǎng)關設計的主要任務是協(xié)議轉換，要求數(shù)據(jù)解析正確完整，同時響應迅速、耗時低、實時性和安全性好?；赗ISC架構的ARM微處理器指令執(zhí)行效率高，軟件操作平臺易于建設，同時具備豐富的外圍擴展電路，能滿足實時多任務要求。使用ARM技術構造以太網(wǎng)與CAN現(xiàn)場總線協(xié)議轉換網(wǎng)關是一種高效可行的方案。
1 網(wǎng)關硬件系統(tǒng)組成網(wǎng)關的主要功能是進行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報文與CAN數(shù)據(jù)幀之間的協(xié)議轉換，實現(xiàn)以太網(wǎng)與CAN總線的互聯(lián)。系統(tǒng)的硬件組成包括CAN總線接口設計和以太網(wǎng)接口設計，如圖1所示。
S3C2410是Samsung公司推出的一款低價位、低功耗、高性能的32位RISC嵌入式處理器。該芯片采用ARM920T內核，5級流水線和哈佛結構，工作頻率高達266 MHz，運行速度可達1．1 MIPS。S3C2410提供了豐富的內部資源，如：SDRAM控制器、LCD控制器、3通道的UART、4通道的DMA、2個SPI模塊，支持輪詢、中斷與DMA三種數(shù)據(jù)發(fā)送模式。雖然內部沒有CAN控制器，但可以通過SPI接口進行擴展，接口電路簡單，易于實現(xiàn)。
CAN總線接口電路主要采用帶SPI接口的獨立CAN控制器MCP2510、CAN總線收發(fā)器TJA1050、高速光隔6N137和DC／DC電源隔離模塊DCR010505等設備組成。獨立CAN控制器MCP2510完全支持CAN總線的V 2．0A和V 2．0B的技術規(guī)范。系統(tǒng)設計時，將MCP2510作為從設備連接到S3C2410的SPI0口。TJA1050總線收發(fā)器是CAN控制器和物理總線之間的接口芯片，增強了總線的驅動能力。為增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，MCP2510的TXCAN和RXCON并不直接與TJA1050的TXD和RXD相連，而是通過兩片光電耦合器6N137與TJA1050相連，同時光隔芯片的兩端電源采用DC／DC模塊進行隔離。這樣就實現(xiàn)了系統(tǒng)外總線CAN節(jié)點間的完全電氣隔離，增強了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性?？偩€兩端都接有1個終端電阻(120 Ω)和1個TVS管，以消除反射信號，有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
以太網(wǎng)接口電路是在S3C2410片上擴展網(wǎng)絡接口芯片RTL8019AS，RTL8019AS是臺灣REALTEK公司生產的一種基于ISA總線的高度集成的以太網(wǎng)控制器。它實現(xiàn)了以太網(wǎng)媒介訪問層(MAC)和物理層(PHY)的全部功能，包括MAC數(shù)據(jù)幀的收發(fā)、地址識別、循環(huán)冗余檢驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)編碼／校驗、曼徹斯特編解碼、超時重傳、鏈路完整性測試、信號極性檢測與糾正等。RTL8019AS與主處理器有3種接口模式，跳線模式(Jumper)，即插即用模式(PnP)和免跳線模式(Jumperless)。系統(tǒng)采用常見的跳線模式來選擇I／O端口和中斷。
2 協(xié)議轉換流程當CAN總線上的設備向Ethernet網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，嵌入式網(wǎng)關將接收到的CAN數(shù)據(jù)包解析，提取數(shù)據(jù)域中的內容；然后按照TCP／IP協(xié)議進行封裝，嵌入式網(wǎng)關將經過封裝的數(shù)據(jù)發(fā)送給以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS。由RTL8019AS自動給這些數(shù)據(jù)添加以太網(wǎng)物理層和邏輯鏈路層所需的相關信息，通過物理接口傳送到以太網(wǎng)。反之，當以太網(wǎng)向CAN總線上設備發(fā)送TCP／IP數(shù)據(jù)包時，它首先將數(shù)據(jù)發(fā)送到RTL8019AS，嵌入式網(wǎng)關從RTL8019AS中接收到數(shù)據(jù)后，提取實際要傳送的數(shù)據(jù)，然后封裝成CAN總線數(shù)據(jù)格式，通過CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡中的現(xiàn)場設備。
嵌入式網(wǎng)關硬件必須具有以太網(wǎng)接口和CAN總線接口，而軟件要有TCP／1P協(xié)議棧和CAN總線驅動程序；通常嵌入式Linux內核中有完整的TCP／IP協(xié)議棧。由于REALTEK公司支持Linux的開發(fā)，Linux系統(tǒng)中已含有RTL8019AS芯片的通用驅動程序，CAN總線協(xié)議驅動并不是標準配置。因此，設計CAN總線接口及其編制驅動程序是實現(xiàn)嵌入式網(wǎng)關最主要的工作。
3 CAN驅動程序設計
Linux驅動程序屬于Linux內核的一部分，是嵌入式系統(tǒng)控制硬件的接口，它為用戶屏蔽設備的工作細節(jié)，并向用戶提供透明訪問硬件設備的機制。驅動程序的開發(fā)在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中具有舉足輕重的地位。開發(fā)出穩(wěn)定、完備的驅動程序可提高整個系統(tǒng)的性能。
3．1 CAN驅動程序流程
MCP2510的內部結構框圖如圖2所示。
MCP2510內含3個發(fā)送緩沖器和2個接收緩沖器，同時還具有靈活的中斷管理能力。CAN協(xié)議機負責與CAN總線的接口，SPI接口邏輯用于實現(xiàn)同MCU的通信，而寄存、緩沖器組與控制邏輯則用來完成各種方式的設定和操作控制。
在Linux多任務操作系統(tǒng)中，CAN總線通信程序的設計可分為發(fā)送數(shù)據(jù)模塊、接收等待模塊和中斷處理模塊實現(xiàn)。系統(tǒng)中CAN總線的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收是兩個不同的線程。在驅動程序中建立數(shù)據(jù)發(fā)送和接收緩沖區(qū)。中斷處理程序只負責填充(或讀取)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，然后喚醒等待接收(或發(fā)送)數(shù)據(jù)的任務。數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收都通過獨立的緩沖區(qū)，并由中斷來實現(xiàn)。操作系統(tǒng)的中斷響應時間在軟件上決定了CAN總線數(shù)據(jù)的最快收發(fā)速度。
3．2 CAN設備驅動程序的實現(xiàn)要點
3．2．1 CAN設備驅動操作函數(shù)
CAN設備驅動程序最終提供給應用程序的是一個流控制接口，主要包括：open，realse，read，write，ioctl等操作。添加設備驅動程序，實際上就是給上述操作編寫相應的程序代碼。驅動程序加載到內核時，會首先運行驅動程序的初始化函數(shù)，然后等待系統(tǒng)調用在file_operaTIons數(shù)據(jù)結構中定義的相關函數(shù)，實現(xiàn)對設備的操作。系統(tǒng)使用Linux 2．4．18版本，其文件系統(tǒng)接口被寫義為：
s3c2410_mcp2510_open負責對將要進行的I／O操作做好必要的準備工作，主要包括限制CAN打開次數(shù)、清空3個發(fā)送緩沖區(qū)和2個接收緩沖區(qū)等。
s3c2410_mcp2510_write將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過SPI總線將數(shù)據(jù)傳送MCP2510的發(fā)送緩沖器，再通過MCP2510將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線。
s3c2410_mcp2510_read用于將MCP2510從CAN總線上接收到接收緩沖器的數(shù)據(jù)，通過SPI總線讀到用戶區(qū)，并返回所讀出的字節(jié)數(shù)。
s3c2410_mcp2510_ioctl用于控制CAN總線通信的波特率、設置幀ID、設置工作模式、設置設備濾波器等工作。
s3c2410_mcp2510_release用于釋放所占用的內存、中斷等資源。
3．2．2 CAN設備的初始化函數(shù)
CAN設備的初始化函數(shù)主要負責創(chuàng)建CAN設備的節(jié)點設備文件、注冊CAN設備的中斷處理函數(shù)、初始化MCP2510等工作。
在Linux系統(tǒng)中，初始化函數(shù)從s3c2410_mcp2510_init()開始。通過調用register_chrdev向系統(tǒng)注冊字符型設備驅動程序；通過devfs_register()函數(shù)創(chuàng)建設備文件系統(tǒng)的CAN設備節(jié)點。同時，CAN設備驅動程序通過調用request_irq函數(shù)來申請中斷，向系統(tǒng)注冊CAN設備的CAN中斷處理函數(shù)s3c2410_isr_mcp2510()。在實現(xiàn)了MCP2510的各個接口函數(shù)后，還需要編寫MCP2510的模塊加載函數(shù)module_init()和模塊卸載函數(shù)module_exit()，用于向內核注冊設備及注銷設備。
3．2．3 驅動程序的加載與使用
Linux設備驅動會以內核模塊的形式出現(xiàn)。Eth-ernet／CAN網(wǎng)關設備驅動程序作為內核的一部分，應在編譯時把設備驅動程序編譯成可加載的模塊。當使用insmod命令加載內核模塊時，模塊的加載函數(shù)mod-ule_init(初始化函數(shù)名)會自動被內核執(zhí)行，將初始化函數(shù)加入內核全局初始化函數(shù)列表中，在內核初始化時執(zhí)行驅動的初始化函數(shù)，從而完成驅動的初始化和注冊，之后驅動便停止等待，被應用程序調用。當用rm-mod命令卸載某內核模塊時，模塊的卸載函數(shù)module_exit(退出處理函數(shù)名)也會自動被內核執(zhí)行，完成與模塊加載函數(shù)相反的功能。當驅動程序加載到內核中后，就可將CAN設備文件進行open，read，write，release等操作。
4 結語隨著工業(yè)控制系統(tǒng)性能的提高，以太網(wǎng)在工業(yè)上的應用也會越來越廣泛。在此詳細介紹了一種嵌入式網(wǎng)關的設計與實現(xiàn)。作為連接以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的紐帶，實現(xiàn)以太網(wǎng)與CAN現(xiàn)場總線之間的協(xié)議轉換，為CAN／Ethernet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。同時，利用嵌入式ARM處理器，接口資源豐富，設計通用性強，便于擴展其他現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)的互聯(lián)，具有較好的應用推廣價值。
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