一種基于ARM的嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言
    CAN(Controller Area Network)為控制器局域網(wǎng)絡(luò)，CAN總線規(guī)范已經(jīng)被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898，并得到眾多半導(dǎo)體器件廠商的支持，推出各種集成有CAN協(xié)議的產(chǎn)品。CAN屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于其采用了許多新技術(shù)和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，低成本、高可靠性、實(shí)時(shí)性、靈活性、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。在汽車電子、自動(dòng)控制、電力系統(tǒng)等領(lǐng)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(diǎn)，彌補(bǔ)了現(xiàn)場(chǎng)總線通信速率低的缺陷，成為現(xiàn)階段信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最廣的局域網(wǎng)技術(shù)。用以太網(wǎng)直接進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)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(luò)傳輸?shù)拇_定性和實(shí)時(shí)性，不能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的要求。將以太網(wǎng)引入工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域，通過與現(xiàn)場(chǎng)總線(CAN BUS)分工合作，構(gòu)成兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將高效的以太網(wǎng)和低速的現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合，解決大規(guī)模測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性矛盾，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連，需要用嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)。
    CAN／Ethernet網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是協(xié)議轉(zhuǎn)換，要求數(shù)據(jù)解析正確完整，同時(shí)響應(yīng)迅速、耗時(shí)低、實(shí)時(shí)性和安全性好。基于RISC架構(gòu)的ARM微處理器指令執(zhí)行效率高，軟件操作平臺(tái)易于建設(shè)，同時(shí)具備豐富的外圍擴(kuò)展電路，能滿足實(shí)時(shí)多任務(wù)要求。使用ARM技術(shù)構(gòu)造以太網(wǎng)與CAN現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)是一種高效可行的方案。

1 網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)組成
    網(wǎng)關(guān)的主要功能是進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文與CAN數(shù)據(jù)幀之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)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(shè)計(jì)和以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)，如圖1所示。

    S3C2410是Samsung公司推出的一款低價(jià)位、低功耗、高性能的32位RISC嵌入式處理器。該芯片采用ARM920T內(nèi)核，5級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，工作頻率高達(dá)266 MHz，運(yùn)行速度可達(dá)1．1 MIPS。S3C2410提供了豐富的內(nèi)部資源，如：SDRAM控制器、LCD控制器、3通道的UART、4通道的DMA、2個(gè)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(nèi)部沒有CAN控制器，但可以通過SPI接口進(jìn)行擴(kuò)展，接口電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
    CAN總線接口電路主要采用帶SPI接口的獨(dú)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(shè)備組成。獨(dú)立CAN控制器MCP2510完全支持CAN總線的V 2．0A和V 2．0B的技術(shù)規(guī)范。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將MCP2510作為從設(shè)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(qiáng)了總線的驅(qū)動(dòng)能力。為增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)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(shí)光隔芯片的兩端電源采用DC／DC模塊進(jìn)行隔離。這樣就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)外總線CAN節(jié)點(diǎn)間的完全電氣隔離，增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。總線兩端都接有1個(gè)終端電阻(120 Ω)和1個(gè)TVS管，以消除反射信號(hào)，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(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8019AS，RTL8019AS是臺(tái)灣REALTEK公司生產(chǎn)的一種基于ISA總線的高度集成的以太網(wǎng)控制器。它實(shí)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(shí)別、循環(huán)冗余檢驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check，CRC)編碼／校驗(yàn)、曼徹斯特編解碼、超時(shí)重傳、鏈路完整性測(cè)試、信號(hào)極性檢測(cè)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。[!--empirenews.page--]

2 協(xié)議轉(zhuǎn)換流程
    當(dāng)CAN總線上的設(shè)備向Ethernet網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，嵌入式網(wǎng)關(guān)將接收到的CAN數(shù)據(jù)包解析，提取數(shù)據(jù)域中的內(nèi)容；然后按照TCP／IP協(xié)議進(jìn)行封裝，嵌入式網(wǎng)關(guān)將經(jīng)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(dòng)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(guān)信息，通過物理接口傳送到以太網(wǎng)。反之，當(dāng)以太網(wǎng)向CAN總線上設(shè)備發(fā)送TCP／IP數(shù)據(jù)包時(shí)，它首先將數(shù)據(jù)發(fā)送到RTL8019AS，嵌入式網(wǎng)關(guān)從RTL8019AS中接收到數(shù)據(jù)后，提取實(shí)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(luò)中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
    嵌入式網(wǎng)關(guān)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(qū)動(dòng)程序；通常嵌入式Linux內(nèi)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(qū)動(dòng)程序，CAN總線協(xié)議驅(qū)動(dòng)并不是標(biāo)準(zhǔn)配置。因此，設(shè)計(jì)CAN總線接口及其編制驅(qū)動(dòng)程序是實(shí)現(xiàn)嵌入式網(wǎng)關(guān)最主要的工作。

3 CAN驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
    Linux驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆贚inux內(nèi)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(shè)備的工作細(xì)節(jié)，并向用戶提供透明訪問硬件設(shè)備的機(jī)制。驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)程序可提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。
3．1 CAN驅(qū)動(dòng)程序流程
    MCP2510的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    MCP2510內(nèi)含3個(gè)發(fā)送緩沖器和2個(gè)接收緩沖器，同時(shí)還具有靈活的中斷管理能力。CAN協(xié)議機(jī)負(fù)責(zé)與CAN總線的接口，SPI接口邏輯用于實(shí)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(shè)定和操作控制。
    在Linux多任務(wù)操作系統(tǒng)中，CAN總線通信程序的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中CAN總線的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收是兩個(gè)不同的線程。在驅(qū)動(dòng)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(fù)責(zé)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(wù)。數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收都通過獨(dú)立的緩沖區(qū)，并由中斷來實(shí)現(xiàn)。操作系統(tǒng)的中斷響應(yīng)時(shí)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)
3．2．1 CAN設(shè)備驅(qū)動(dòng)操作函數(shù)
    CAN設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序最終提供給應(yīng)用程序的是一個(gè)流控制接口，主要包括：open，realse，read，write，ioctl等操作。添加設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)際上就是給上述操作編寫相應(yīng)的程序代碼。驅(qū)動(dòng)程序加載到內(nèi)核時(shí)，會(huì)首先運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序的初始化函數(shù)，然后等待系統(tǒng)調(diào)用在file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中定義的相關(guān)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)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(fù)責(zé)對(duì)將要進(jìn)行的I／O操作做好必要的準(zhǔn)備工作，主要包括限制CAN打開次數(shù)、清空3個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)和2個(gè)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。[!--empirenews.page--]
    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(shè)置幀ID、設(shè)置工作模式、設(shè)置設(shè)備濾波器等工作。
    s3c2410_mcp2510_release用于釋放所占用的內(nèi)存、中斷等資源。
3．2．2 CAN設(shè)備的初始化函數(shù)
    CAN設(shè)備的初始化函數(shù)主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建CAN設(shè)備的節(jié)點(diǎn)設(shè)備文件、注冊(cè)CAN設(shè)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(diào)用register_chrdev向系統(tǒng)注冊(cè)字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；通過devfs_register()函數(shù)創(chuàng)建設(shè)備文件系統(tǒng)的CAN設(shè)備節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，CAN設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過調(diào)用request_irq函數(shù)來申請(qǐng)中斷，向系統(tǒng)注冊(cè)CAN設(shè)備的CAN中斷處理函數(shù)s3c2410_isr_mcp2510()。在實(shí)現(xiàn)了MCP2510的各個(gè)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(nèi)核注冊(cè)設(shè)備及注銷設(shè)備。
3．2．3 驅(qū)動(dòng)程序的加載與使用
    Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)會(huì)以內(nèi)核模塊的形式出現(xiàn)。Eth-ernet／CAN網(wǎng)關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序作為內(nèi)核的一部分，應(yīng)在編譯時(shí)把設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編譯成可加載的模塊。當(dāng)使用insmod命令加載內(nèi)核模塊時(shí)，模塊的加載函數(shù)mod-ule_init(初始化函數(shù)名)會(huì)自動(dòng)被內(nèi)核執(zhí)行，將初始化函數(shù)加入內(nèi)核全局初始化函數(shù)列表中，在內(nèi)核初始化時(shí)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)的初始化函數(shù)，從而完成驅(qū)動(dòng)的初始化和注冊(cè)，之后驅(qū)動(dòng)便停止等待，被應(yīng)用程序調(diào)用。當(dāng)用rm-mod命令卸載某內(nèi)核模塊時(shí)，模塊的卸載函數(shù)module_exit(退出處理函數(shù)名)也會(huì)自動(dòng)被內(nèi)核執(zhí)行，完成與模塊加載函數(shù)相反的功能。當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序加載到內(nèi)核中后，就可將CAN設(shè)備文件進(jìn)行open，read，write，release等操作。

4 結(jié)語(yǔ)
    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(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。在此詳細(xì)介紹了一種嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。作為連接以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的紐帶，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與CAN現(xiàn)場(chǎng)總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)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(shí)，利用嵌入式ARM處理器，接口資源豐富，設(shè)計(jì)通用性強(qiáng)，便于擴(kuò)展其他現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)的互聯(lián)，具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。