一種基于ARM的嵌入式網關系統設計與實現

引 言
CAN(Controller Area Network)為控制器局域網絡，CAN總線規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協議的產品。CAN屬于總線式串行通信網絡，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中。在汽車電子、自動控制、電力系統等領域，CAN總線具有無可比擬的優越性。
以太網以其通信數據量大、傳輸速度快、開放性好、成本低等優點，彌補了現場總線通信速率低的缺陷，成為現階段信息網絡應用最廣的局域網技術。用以太網直接進入工業控制領域，目前還存在一些問題，以太網的媒體訪問方式CSDA／CD不能保證網絡傳輸的確定性和實時性，不能滿足工業現場惡劣環境的要求。將以太網引入工業測控領域，通過與現場總線(CAN BUS)分工合作，構成兩種異構網絡結構，將高效的以太網和低速的現場總線相結合，解決大規模測控系統實時性和可靠性矛盾，提高整個系統的工作效率。兩種異構網絡的互連，需要用嵌入式網關實現。
CAN／Ethernet網關設計的主要任務是協議轉換，要求數據解析正確完整，同時響應迅速、耗時低、實時性和安全性好。基于RISC架構的ARM微處理器指令執行效率高，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技術構造以太網與CAN現場總線協議轉換網關是一種高效可行的方案。

1 網關硬件系統組成
網關的主要功能是進行以太網數據報文與CAN數據幀之間的協議轉換，實現以太網與CAN總線的互聯。系統的硬件組成包括CAN總線接口設計和以太網接口設計，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三種數據發送模式。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。
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的技術規范。系統設計時，將MCP2510作為從設備連接到S3C2410的SPI0口。TJA1050總線收發器是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。這樣就實現了系統外總線CAN節點間的完全電氣隔離，增強了節點的穩定性和安全性。總線兩端都接有1個終端電阻(120 Ω)和1個TVS管，以消除反射信號，有效提高系統的抗干擾能力。
以太網接口電路是在S3C2410片上擴展網絡接口芯片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控制器。它實現了以太網媒介訪問層(MAC)和物理層(PHY)的全部功能，包括MAC數據幀的收發、地址識別、循環冗余檢驗(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)。系統采用常見的跳線模式來選擇I／O端口和中斷。