一種基于ARM的嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
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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)被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂為國際標(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)和獨特的設(shè)計,低成本、高可靠性、實時性、靈活性、抗干擾能力強(qiáng)等特點,已被廣泛應(yīng)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(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,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(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(lǐng)域,通過與現(xiàn)場總線(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)場總線相結(jié)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連,需要用嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)。
CAN/Ethernet網(wǎng)關(guān)設(shè)計的主要任務(wù)是協(xié)議轉(zhuǎn)換,要求數(shù)據(jù)解析正確完整,同時響應(yīng)迅速、耗時低、實時性和安全性好?;赗ISC架構(gòu)的ARM微處理器指令執(zhí)行效率高,軟件操作平臺易于建設(shè),同時具備豐富的外圍擴(kuò)展電路,能滿足實時多任務(wù)要求。使用ARM技術(shù)構(gòu)造以太網(wǎng)與CAN現(xiàn)場總線協(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)報文與CAN數(shù)據(jù)幀之間的協(xié)議轉(zhuǎn)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(shè)計和以太網(wǎng)接口設(shè)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(nèi)核,5級流水線和哈佛結(jié)構(gòu),工作頻率高達(dá)266 MHz,運行速度可達(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(shè)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(shù)規(guī)范。系統(tǒng)設(shè)計時,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)動能力。為增強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8019AS,RTL8019AS是臺灣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。[!--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,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,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)動程序,CAN總線協(xié)議驅(qū)動并不是標(biāo)準(zhǔn)配置。因此,設(shè)計CAN總線接口及其編制驅(qū)動程序是實現(xiàn)嵌入式網(wǎng)關(guān)最主要的工作。
3 CAN驅(qū)動程序設(shè)計
Linux驅(qū)動程序?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)動程序可提高整個系統(tǒng)的性能。
3.1 CAN驅(qū)動程序流程
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(jī)負(fù)責(zé)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(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(qū)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(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)送與接收都通過獨立的緩沖區(qū),并由中斷來實現(xiàn)。操作系統(tǒng)的中斷響應(yīng)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(shè)備驅(qū)動程序的實現(xiàn)要點
3.2.1 CAN設(shè)備驅(qū)動操作函數(shù)
CAN設(shè)備驅(qū)動程序最終提供給應(yīng)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(shè)備驅(qū)動程序,實際上就是給上述操作編寫相應(yīng)的程序代碼。驅(qū)動程序加載到內(nèi)核時,會首先運行驅(qū)動程序的初始化函數(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),實現(xiàn)對設(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。[!--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)點設(shè)備文件、注冊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)注冊字符型設(shè)備驅(qū)動程序;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。同時,CAN設(shè)備驅(qū)動程序通過調(diào)用request_irq函數(shù)來申請中斷,向系統(tǒng)注冊CAN設(shè)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(nèi)核注冊設(shè)備及注銷設(shè)備。
3.2.3 驅(qū)動程序的加載與使用
Linux設(shè)備驅(qū)動會以內(nèi)核模塊的形式出現(xiàn)。Eth-ernet/CAN網(wǎng)關(guān)設(shè)備驅(qū)動程序作為內(nèi)核的一部分,應(yīng)在編譯時把設(shè)備驅(qū)動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,模塊的加載函數(shù)mod-ule_init(初始化函數(shù)名)會自動被內(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)核初始化時執(zhí)行驅(qū)動的初始化函數(shù),從而完成驅(qū)動的初始化和注冊,之后驅(qū)動便停止等待,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,模塊的卸載函數(shù)module_exit(退出處理函數(shù)名)也會自動被內(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
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(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,利用嵌入式ARM處理器,接口資源豐富,設(shè)計通用性強(qiáng),便于擴(kuò)展其他現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)的互聯(lián),具有較好的應(yīng)用推廣價值。