一種低成本的Ehternet嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：介紹了種廉價的CAN與以太網(wǎng)互連的方案。該方案實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)與現(xiàn)有CAN總線的直接連接。方便了管理監(jiān)控層(以太網(wǎng))與生產(chǎn)測控層(CAN總線)之間的信息交流。詳細(xì)介紹了硬件設(shè)計原理，給出了軟件設(shè)計步驟和主要流程圖。 關(guān)鍵詞：CAN總線 以太網(wǎng) RTL8019AS芯片 單片機(jī) TCP/IP協(xié)議 隨著互聯(lián)網(wǎng)中硬件的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)用戶呈指數(shù)增長。在使用計算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的同時，各種家電設(shè)備、儀器儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備也逐步地走向網(wǎng)絡(luò)化，以便共享網(wǎng)絡(luò)中龐大的信息資源。 本設(shè)計是以全電子化鐵路車站控制系統(tǒng)為背景，任務(wù)是實(shí)現(xiàn)鐵路車站執(zhí)行機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)測機(jī)之間的信息交換。其中，執(zhí)行機(jī)包括各個執(zhí)行單元，采用CAN總線接口。監(jiān)測機(jī)為遠(yuǎn)程的PC控制機(jī)，采用以太網(wǎng)接口。本設(shè)計指在實(shí)現(xiàn)CAN通信鏈路和以太網(wǎng)通信鏈路的透明連接，最終形成通用的CAN總線以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。 CAN總線與以太網(wǎng)通信，通常采用兩種方案，一種是采用工控機(jī)加網(wǎng)卡來實(shí)現(xiàn)。這種連接方式成本高，開發(fā)周期長。另一種是采用32位MCU+RTOS的方案，這種方案采用32位高檔單片機(jī)，在RTOS(實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng))的平臺上進(jìn)行軟件開發(fā)，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP的協(xié)議處理。它的缺點(diǎn)是：單片機(jī)價格較高，開發(fā)周期較長，需要購買昂貴的RTOS開發(fā)軟件，對開發(fā)人員的開發(fā)能力要求較高。鑒于上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)，筆者設(shè)計一種單獨(dú)的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互連系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)與CAN總線的直接互聯(lián)。 圖1 1 硬件設(shè)計 系統(tǒng)電路原理如圖1所示。本系統(tǒng)以單片機(jī)為界，為了兩部分：CAN總線控制部分和以太網(wǎng)控制部分。系統(tǒng)提供RJ45接口連接Ethernet網(wǎng)絡(luò)，并且提供一個CAN總線接口供用戶使用。系統(tǒng)可以把從Ethernet上過來的IP數(shù)據(jù)報解包送給CAN總線接口，也可把從CAN總線接口過來的數(shù)據(jù)封裝為IP 包送到局域網(wǎng)中。 1.1 單片機(jī)及其外部存儲器 單片機(jī)W78E58B為主要控制部分，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)芯片和CAN控制器的控制。在微處理器內(nèi)嵌入TCP/IP協(xié)議和CAN協(xié)議，完成兩者之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)CAN接口和以太網(wǎng)接口之間數(shù)據(jù)的透明傳輸。 62256是32K的外部RAM，用來緩存以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包和CAN總線傳來的數(shù)據(jù)，使用它的目的是提高單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速度和處理復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議。由于以太網(wǎng)最大的數(shù)據(jù)包有1514字節(jié)，而單片機(jī)W78E58B只能256字節(jié)的RAM，無法存儲這么大的數(shù)據(jù)包，只能放在外部RAM里，以使單片機(jī)能夠高速地吞吐數(shù)據(jù)。P2.7為低電平時，62256被選通，因此其尋址范圍為0000H～7FFFH。 單片機(jī)W78E58B內(nèi)部有32K的EEPROM，可用來存儲一些配置信息，如網(wǎng)關(guān)IP地址、MAC地址、SJA1000的ID網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符、網(wǎng)絡(luò)掩碼和總線定時(BTR0、BTR1)等。這樣可以靈活方便地修改網(wǎng)關(guān)參數(shù)，適應(yīng)不同的環(huán)境，同時也有利于以后的擴(kuò)展。 1.2 以太網(wǎng)控制部分 RTL8019AS是臺灣Realtek公司制造的一種高集成度的全雙工10M/S以太網(wǎng)控制芯片，可實(shí)現(xiàn)基于Ethernet協(xié)議的MAC層的全部功能，內(nèi)置16KB的SRAM、雙DMA通道和FIFO，可完成數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送功能。 在該設(shè)計中，RTL8019AS使用跳線模式(JP置為高)，數(shù)據(jù)線使用八位模式(IOCS16B用27kΩ電阻下拉接地)，RTL8019AS的低五位地址線SA0～SA4對應(yīng)接到單片機(jī)的P2.0～P2.4,SA6和SA9接VCC，其它地址線全部接地。當(dāng)P2.6和P2.7同時為高電平時 RTL8019AS的片選信號AEN使能。RTL8019AS的I/O地址需要映射為單片機(jī)的I/O地址，這樣單片機(jī)才能操作RTL8019AS。根據(jù)電路設(shè)計，該系統(tǒng)中單片機(jī)的I/O地址與RTL8019AS的I/O地址之間的映射關(guān)系為：0XC000H～240H，0XC100H～241H…)XDF00H～25FH，共32個字節(jié)。RTL8019AS除與單片機(jī)連接外，還將其網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器的四根引腳HD、LD、TRIN+、TPIN-通過外部的隔離濾波器LPF與以太網(wǎng)相連，目的是提高網(wǎng)絡(luò)通信的抗干擾能力。 1.3 CAN總線控制部分 SJA1000為CAN總線控制器，具有多主結(jié)構(gòu)、總線訪問優(yōu)先權(quán)、廣播報文功能及硬件濾波功能，具有簡單總線連接的SJA1000可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。它具有兩種工作模式BasicCAN和PeliCAN。BasicCAN僅支持標(biāo)準(zhǔn)模式(本文僅介紹BasicCAN模式)，支持錯誤分析功能，對CAN收發(fā)器進(jìn)行控制，為微控制器提供控制CAN總線的簡單接口。單片機(jī)對SAJ1000的讀寫就像讀寫自己的外部RAM一樣。P2.7取反后作為其片選信號線。因此，SJA1000對應(yīng)地址為8000H～807FH。SJA1000的/INT引腳接單片機(jī)的INT1引腳，使單片機(jī)能夠?qū)崟r響應(yīng) CAN的中斷請求。

TJA1050為CAN收發(fā)器，是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，可以對CAN總線提供差動發(fā)送和接收能力。微控制器對CAN控制器進(jìn)行相應(yīng)配置后，收發(fā)器自動完成相應(yīng)的CAN總線動作。有較強(qiáng)的抗干擾能力，最多節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個。 采用高速光耦6N137實(shí)現(xiàn)SJA1000與TJA1050之間的電氣隔離，保護(hù)控制系統(tǒng)電路，以滿足在最高速率1M/s下的電氣響應(yīng)。 2 軟件設(shè)計 整個系統(tǒng)的軟件分為兩部分：CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。其程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。 當(dāng)以太網(wǎng)應(yīng)用層有數(shù)據(jù)要發(fā)送到CAN節(jié)點(diǎn)時，首先由以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊從傳輸層數(shù)據(jù)報文中解析出完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包，存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A中，再通知總調(diào)度模塊，由它調(diào)用CAN控制器協(xié)議模塊將CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包發(fā)送到CAN總線上。反過來，當(dāng)CAN設(shè)備有數(shù)據(jù)要發(fā)送到用戶層時，先由CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中，再通知總調(diào)度模塊，由它調(diào)用以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，將完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包作為應(yīng)用層數(shù)據(jù)封裝起來，再發(fā)送到以太網(wǎng)的應(yīng)用。 2.1 CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊 CAN通信協(xié)議有四種不同的幀格式，本系統(tǒng)中使用標(biāo)準(zhǔn)幀格式，其格式如表1所示。CAN首先接收仲裁域，根據(jù)仲裁域的內(nèi)容判斷所接收的信號是哪種幀格式，然后用戶將相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)域中進(jìn)行發(fā)送，或從數(shù)據(jù)域中讀取接收到的數(shù)據(jù)。 表1 幀傳送格式 幀起始仲裁域控制域數(shù)據(jù)域 CRC域應(yīng)答域幀結(jié)尾 SOF ID RTR IDE RO DLC DATA CRC ACK END CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要由SJA1000的寄存器讀程序CANRead()、寫程序、CANWrite()、初始化程序CANInit()、發(fā)送程序Txdsub()和接收程序Rxdsub()組成。 選用CAN2.0A協(xié)議構(gòu)建CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)，對SJA1000的初始化主要包括對控制寄存器CR、驗(yàn)收代碼寄存器ACR、驗(yàn)收屏蔽寄存器AMR、總線定時寄存器BTR0/1和輸出控制寄存器OCR的設(shè)置。初始化完成后，由總調(diào)度模塊監(jiān)控SJA1000控制器。當(dāng)CAN總線上有數(shù)據(jù)到達(dá)時，通過中斷方式調(diào)用接收子程序Rxdsub()，把這一幀數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中，然后翻譯接收緩沖器。同樣，當(dāng)有按CAN2.0A協(xié)議格式組合成的一幀數(shù)據(jù)報文在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A中要發(fā)送到CAN總線上去時，總調(diào)度模塊調(diào)用CAN發(fā)送子程序Txdsub()發(fā)送。 2.2 以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊 一個標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理傳輸幀如表2所示(單位：字節(jié))。 表2 以太網(wǎng)的物理傳輸幀結(jié)構(gòu)表 同步位分隔位目的地址源地址類型字段數(shù)據(jù)段幀校驗(yàn)序列 PR SD DA SA TYPE DATA FCS 7 1 6 6 2 46～1500 4 除數(shù)據(jù)段的長度不定外，其它部分的長度都固定不變。以太網(wǎng)規(guī)定整個傳輸包的最大長度不能超過1514字節(jié)(14字節(jié)為DA、SA、TYPE)，最小大能小于60字節(jié)。除去DS、SA、TYPE14字節(jié)外，還必須傳輸46字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)不足46字節(jié)時需填充，填充字符的個數(shù)不包括在長度字段里;超過1500個字節(jié)時，需拆成多個幀傳送。 以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要負(fù)責(zé)從UDP數(shù)據(jù)包中解析出完整的CAN協(xié)議報文，存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A中。同時，也可以將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中的完整CAN協(xié)議報文封裝成UDP數(shù)據(jù)報，然后將其發(fā)送到以太網(wǎng)上。 主程序工作流程圖如圖3所示，單片機(jī)首先初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。網(wǎng)卡IP地址和物理地址存于單片機(jī)的EEPROM中，單片機(jī)復(fù)位后首先讀取這些數(shù)據(jù)以初始化網(wǎng)卡。

網(wǎng)卡初始化完成以后，當(dāng)有數(shù)據(jù)從RJ45過來時，單片機(jī)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，如果是ARP(物理地址解析協(xié)議)數(shù)據(jù)包，則程序轉(zhuǎn)入ARP處理程序。如果是 IP(網(wǎng)間協(xié)議)數(shù)據(jù)包且傳輸層使用UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)，端口正確，則認(rèn)為數(shù)據(jù)報正確，數(shù)據(jù)解包后，送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A，最后把數(shù)據(jù)部分通過CAN接口輸出。反之，如果單片機(jī)從CAN接口收到數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)按照UDP協(xié)議格式打包，送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B，由RTL8019AS將數(shù)據(jù)輸出到局域網(wǎng)中。 本系統(tǒng)在通信傳輸層來采UDP協(xié)議是考慮到CAN協(xié)議數(shù)據(jù)報為短幀形式(每個數(shù)據(jù)幀最多為8字節(jié))。如果采用TCP傳輸協(xié)議，要傳輸8個字節(jié)CAN協(xié)議數(shù)據(jù)，需先通過三次握手建立連接，再傳輸數(shù)據(jù)，之后還要通過握手釋放連接。這樣的傳輸效率對有限的網(wǎng)絡(luò)資源來說無疑是一種浪費(fèi)。而UDP是無連接的傳輸，可以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，同時也可以減輕網(wǎng)關(guān)的處理任務(wù)壓力。UDP傳輸協(xié)議可靠性的不足之處可以采用加傳校驗(yàn)機(jī)制來改善。通過實(shí)驗(yàn)測試，表明這種方法是行之有效的。 本文介紹了種低成本、高可靠性、快捷的嵌入式CAN總線與以太網(wǎng)互連的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。該互連方案保證了管理監(jiān)控層與生產(chǎn)測控層之間的連接，方便了上下層信息交流，適用于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，有著廣泛的應(yīng)用前景。特別是在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸 領(lǐng)域中，可以廣泛地應(yīng)用于嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口功能的設(shè)計中。