基于ARM處理器的CAN-Ethernet通信模塊實現(xiàn)

1、基于ARM處理器的CAN-Ethernet通信模塊實現(xiàn)        近20 年來工業(yè)測控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是:分散控制和集中管理、標(biāo)準(zhǔn)化和開放性。工業(yè)測控系統(tǒng)從傳統(tǒng)的集中測量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)化的集散控制系統(tǒng)。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)高速發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化程度不斷提高,以現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎(chǔ)的開放型集散測控系統(tǒng)現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。同時,以太網(wǎng)的應(yīng)用也迅速向工業(yè)測控系統(tǒng)滲透,在工業(yè)自動化應(yīng)用中異軍突起。 這種趨勢的出現(xiàn)與計算機技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的高速發(fā)展相關(guān)?，F(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)信息交換的需求也已經(jīng)從管理層內(nèi)部迅速覆蓋到控制、現(xiàn)場

2、設(shè)備等各個層次,連接上層網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線的通信設(shè)備成為工廠自動化系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一。CAN-Ethernet通信模塊,是一種直接連接以太網(wǎng)和CAN現(xiàn)場總線的設(shè)備,有效解決了控制系統(tǒng)中現(xiàn)場總線和上層信息管理層的互聯(lián)問題,使自動化系統(tǒng)中的信息交換可以深入到現(xiàn)場設(shè)備一級。 1 CAN 總線和以太網(wǎng)的連接 現(xiàn)有的CAN 總線到以太網(wǎng)的通信實現(xiàn)方案中,采用較多的是使用一臺連接以太網(wǎng)的計算機,在計算機中安裝一塊內(nèi)置式CAN通信板卡;或者通過計算機并行和串行接口外接CAN 的通信模塊。這種方法有一定局限性,例如,使用計算機體積大,成本高;計算機故障后的重啟速度慢,這可能嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作。采用基于ARM微處

3、理器的單板機系統(tǒng)建立CAN-Ethernet 通信模塊,可以很好地解決上述問題,降低系統(tǒng)的成本,提高其性能。CAN-Ethernet通信模塊連接以太網(wǎng)和CAN 總線的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在以太網(wǎng)和CAN 總線之間,可以掛接一個通信模塊連接兩種網(wǎng)絡(luò),也可以使用多個通信模塊形成多個通路。對于第二種情況,以太網(wǎng)上的計算機可以通過指定IP地址和上層協(xié)議的端口選擇通路。 圖1 通過通信模塊連接以太網(wǎng)和CAN 總線 2 通信模塊的硬件設(shè)計 信模塊的硬件核心采用高性能的ARM處理器S3C44B0x。它是一種精簡指令處理器,可以在32位指令字的ARM模式下和16位指令字的Thumb模式下工作,設(shè)計者可以根據(jù)需要

4、在性能和代碼大小之間進(jìn)行折衷;片內(nèi)有8KB的高速靜態(tài)RAM,既可以作為高速緩存,也可以作為片內(nèi)存儲器使用;片內(nèi)外設(shè)包括異步和同步串行接口、I2C接口、LCD控制器及接口、實時時鐘等。ARM處理器還具有低能耗和高性價比,非常適用于構(gòu)建性能較高的嵌入式系統(tǒng)。 通信模塊使用2片39VF040芯片,位擴(kuò)展后組成512K/16bit共1MB的Flash ROM作為程序和配置數(shù)據(jù)的存儲空間,使用1片62LV25616芯片組成256K/16bit 共512B的靜態(tài)隨機存儲器。CAN總線通信控制芯片選用了Philips公司的SJA1000T,它是一種獨立的CAN 總線通信控制器,僅需要CPU給出必要的指令,控

5、制器就可以自動完成鏈路層以下的收發(fā)工作,并通知CPU總線的工作狀態(tài)。以太網(wǎng)通信控制芯片采用了臺灣Realtek公司的RTL8019as,它是一種ISA 接口的10Mb/s以太網(wǎng)卡芯片,內(nèi)部包含了以太網(wǎng)媒體訪問控制和物理層驅(qū)動,并帶有16KB的片上緩沖RAM。 2. 1 處理器和5 V 系統(tǒng)數(shù)據(jù)線的連接 系統(tǒng)中的處理器S3C44B0x 和存儲器芯片都使用3.3 V 的IO電壓,CAN總線接口、以太網(wǎng)接口則使用5V的工作電壓。 S3C44B0x 的數(shù)據(jù)、地址和控制信號線可以直接驅(qū)動這些外圍電路芯片(參考S3C44B0x、SJA1000、RTL8019as 數(shù)據(jù)手冊) ,但是外圍電路芯片輸出的高電平

6、可能損壞處理器和直接掛接在處理器數(shù)據(jù)線上的其他芯片。因此,數(shù)據(jù)線上應(yīng)該使用總線轉(zhuǎn)換器進(jìn)行3.3/5V電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)選用了兼容3.3 V和5V的信號電平的雙向總線收發(fā)器LCX245芯片。LCX245 的控制信號包括方向控制端DIR(0 :B A ,1 :A B) 和使能控制端OE(0 :接通,1 :隔斷) ,這些控制信號將使用GAL芯片產(chǎn)生。圖2 為系統(tǒng)的硬件連接示意圖。 圖2 系統(tǒng)的硬件連接示意圖 GAL 芯片選用GAL16V8D-15LP ,它的傳播延遲時間為15ns ,反饋延遲時間為7ns ,適于較高速度的工作。除了產(chǎn)生總線收發(fā)器芯片的控制信號外,同一片GAL 還用來產(chǎn)生SJA1000 需

7、要的控制信號。根據(jù)處理器S3C44B0x 的輸出信號, 包括為SJA1000分配的地址組選通信號nGCS3和RTL8019分配的地址組選通信號nGCS4、讀寫信號線nOE和nWE,可以產(chǎn)生總線收發(fā)器LCX245所需要的DIR和OE信號,各信號如圖3 所示。 圖3 LCX245 控制信號的產(chǎn)生 nGCSx 是處理器的地址組選通信號,S3C44B0x 將外部地址空間從地址0 開始,每32M劃分為一個組(Bank ) ,外部尋址時地址線A0 A24 輸出組內(nèi)地址,該地址所在的組的組選通信號同時有效。圖中虛線代表寫操作時的DIR 信號,實線為讀操作的信號。從圖中可以得到使用ABEL 語言描寫的的信號生

8、成邏輯式為: OE = (nOE &nWE) # (nGCS3 &nGCS4 &nGCS5) ;           DIR = nOE # (nGCS3 &nGCS4 &nGCS5) ; 但是為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定地工作,應(yīng)保證OE 信號有效時DIR 信號不發(fā)生變化,也就是說進(jìn)行讀操作時圖中OE 低電平脈沖的前沿應(yīng)晚于DIR ,后沿應(yīng)早于DIR ,這樣將出現(xiàn)反饋邏輯,可以使用類似于同步時序電路的設(shè)計方法設(shè)計。圖4 是OE 信號和DIR 信號的次態(tài)卡諾圖,次態(tài)符合上述要

9、求,并且在輸入一定的狀態(tài)下,OE 信號和DIR 信號總是每次改變一個,逐次進(jìn)入最后的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)(粗體字表示) 。圖中“×”表示不會出現(xiàn)的輸入狀態(tài)。 圖4 OE 和DIR 次態(tài) 卡諾圖 根據(jù)卡諾圖重新寫出的次態(tài)邏輯產(chǎn)生式,消除單獨輸入(包括OE 和DIR 的當(dāng)前狀態(tài)) 變化可能引起的競爭- 冒險現(xiàn)象后為: OEn = (nOE &nWE) # (nOE & ! DIR) # (nWE &DIR) # (nGCS3 &nGCS4 &nGCS5) ; /DIRn = ( ! OE &DIR) # (nOE &DIR) # (nOE &a

10、mp;OE) # (nGCS3 & nGCS4 &nGCS5) ; 編譯GAL 邏輯時應(yīng)嚴(yán)格按照邏輯式生成與或邏輯。 2. 2 CAN 總線通信控制芯片SJA1000 的讀寫 CAN總線通信控制芯片SJA1000 沒有提供單獨的地址線,而使用可以與Intel 和Motorola系列微控制器兼容的分時復(fù)用地址/ 數(shù)據(jù)線。在一個讀寫周期內(nèi),微控制器首先輸出操作地址并使地址鎖存信號ALE 有效,SJA1000 在ALE 信號的下降沿將操作地址鎖在片內(nèi);之后微處理器發(fā)出讀寫信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但S3C44B0x 的數(shù)據(jù)線和地址線是分離的,對SJA1000 的讀寫操作需要模擬微控制器,先在

11、數(shù)據(jù)線上寫一個操作地址,并模擬產(chǎn)生一個ALE 信號鎖存這個地址,之后進(jìn)行正常的讀寫操作。系統(tǒng)使用地址線ADDR0 區(qū)分地址傳輸和數(shù)據(jù)傳輸:寫奇地址時,不選通SJA1000 芯片,但給出一個有效的模擬ALE 信號;讀寫偶地址時,選通SJA1000 讀寫數(shù)據(jù)。另外,系統(tǒng)同時有兩路CAN 總線接口,讀寫操作根據(jù)地址線ADDR1 區(qū)分兩個SJA1000 芯片,兩個片選信號和ALE 信號都要通過GAL 芯片產(chǎn)生,各信號如圖5所示。 圖5 SJA1000 控制信號的產(chǎn)生 圖中虛線是向SJA1000 傳輸和鎖存地址的過程,實線是讀寫操作的過程。用ABEL 語言書寫的各信號產(chǎn)生邏輯式為: CAN-CS = n

12、GCS4 # ADDR0 ; ALE = ! nWE &ADDR0 & ! nGCS4 ; 對SJA1000 的操作地址如下:地址鎖存向0x08000001端口寫地址;數(shù)據(jù)讀寫通過地址0x08000000。 3 通信模塊的軟件設(shè)計 通信模塊和CAN 總線上的設(shè)備節(jié)點之間直接通過SJA1000收發(fā)CAN 總線報文進(jìn)行通信,報文中的數(shù)據(jù)格式可以是基于CAN 總線的上層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,也可以由用戶定義。為了方便與以太網(wǎng)上計算機的通信,CAN-Ethernet 通信模塊在以太網(wǎng)一端使用UDP協(xié)議,這樣,計算機上的軟件可以使用操作系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)。 每一個CAN-Ethernet 通信模

13、塊需要設(shè)定局域網(wǎng)內(nèi)一個惟一的IP地址,通過固定的UDP端口和計算機通信。模塊和計算機之間既可以使用對單點IP的通信,也可以在UDP端口發(fā)送廣播報文。在以太網(wǎng)一端,通信模塊接收到UDP 報文后,將其中的信息組織成CAN 總線報文發(fā)往CAN 總線;在CAN 總線一端,通信模塊接收報文標(biāo)識能夠通過本節(jié)點接收碼和接收掩碼設(shè)置的CAN 總線報文,并封裝為UDP 報文,轉(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)上。各節(jié)點IP 地址、UDP工作端口和CAN報文接收掩碼等設(shè)置在系統(tǒng)初始化時進(jìn)行。3. 1 通信控制芯片的初始化和收發(fā)操作 對SJA1000T的基本操作如下: 初始化:硬件復(fù)位,進(jìn)入復(fù)位方式; 設(shè)置為BasicCAN 模式,CD

14、R = 0x08 ;設(shè)置波特率控制字BTR0 ,BTR1 ;設(shè)置接收碼和接收掩碼ACR、AMR;完成設(shè)定,進(jìn)入工作模式,CR = 0x1E。 發(fā)送:將CAN 總線報文寫入SJA1000T 發(fā)送緩沖區(qū)TX2IDR12 , TXDR18 ;寫發(fā)送命令,CMR = 0x01。 接收:從RXIDR12、RXDR18 讀出CAN 一幀CAN 總線報文;將SJA1000T 的接收緩沖區(qū)窗口滑動到下一幀,CMR =0x04。 RTL8019AS內(nèi)部有頁地址為0x400x79 的256個緩沖頁,每頁256B。這些緩沖頁的一部分作為接收緩沖區(qū),起始頁地址和結(jié)束頁地址通過PSTART、PSTOP 寄存器配置,剩余

15、可以作為發(fā)送緩沖區(qū)使用。硬件把接收緩沖區(qū)作為環(huán)形緩沖區(qū)使用,CURR寄存器和BNRY寄存器分別指明緩沖區(qū)中未使用部分的起始和結(jié)束頁地址。硬件接收到數(shù)據(jù)后會自動修改CURR 的值,而BNRY需要讀出一幀數(shù)據(jù)后由軟件修改;對RTL8019AS的基本操作如下: 初始化:硬件復(fù)位操作,進(jìn)入停止方式;寫入物理地址到PR0PR5 ,寫入0x00 到多點接收地址寄存器MAR;設(shè)置內(nèi)部發(fā)送緩沖區(qū)器起止頁地址到PSTART、PSTOP;寫入當(dāng)前  頁地址到CURR和頁地址界寄存器BNRY中;進(jìn)入正常工作方式,CR =0x02。 發(fā)送:將以太網(wǎng)報文載入在RTL8019AS中設(shè)置的發(fā)送緩沖區(qū)中;寫發(fā)送起始

16、頁地址到TPSR ,寫發(fā)送內(nèi)容長度到TBCR01 ;寫發(fā)送命令,CMR = 0x1A。 接收:從在RTL8019AS中設(shè)置的接收緩存頁中讀出一幀以太網(wǎng)報文;根據(jù)報文長度改變頁地址界限BNRY的值。 3. 2 UDP 和CAN 報文的轉(zhuǎn)換 CAN - Ethernet 通信模塊收到CAN 總線報文時,將整個報文封裝在一幀UDP 報文中;接收到目的端口與自己的工作端口相符的UDP 報文時,取出其中的數(shù)據(jù)段作為一幀CAN 總線報文。以太網(wǎng)報文到CAN 總線報文的具體轉(zhuǎn)換過程如下: 如果接收到的以太網(wǎng)報文包含IP 報文,分解出IP 報文,否則拋棄這幀報文; 如果IP 報文的目的地址匹配,并且包含一幀U

17、DP 報文,分解出UDP 報文,否則拋棄; 如果UDP 報文的目的端口匹配,分解出其中的CAN 總線報文,否則拋棄。 CAN 總線報文到UDP 報文的轉(zhuǎn)換過程是:接收到的CAN 總線報文裝入UDP 報文的數(shù)據(jù)段,計算校驗和,完成UDP報文封裝; 加上IP 報文頭部,計算校驗和,完成IP報文封裝; 加上以太網(wǎng)報文的頭部,報文尾部的校驗和不需要軟件完成,RTL8019AS在發(fā)送時會自動添加。 為了減少在轉(zhuǎn)換過程中的數(shù)據(jù)拷貝,定義了如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。從CAN總線上收到的報文直接放在Frame結(jié)構(gòu)體的can 成員中,并記錄長度,封裝為UDP報文的過程就是填充Frame結(jié)構(gòu)體中其他成員的過程;從以太網(wǎng)上收到

18、的報文逐字節(jié)放入Frame結(jié)構(gòu)體中,CAN 報文就包含在can 成員中。 struct EthHead unsigned char DstPhyAddr6 ; / / 以太網(wǎng)目的地址 unsigned char SrcPhyAddr6 ; / / 以太網(wǎng)源地址 unsigned short Prt ; / / 協(xié)議標(biāo)識 ; struct IPHead unsigned char VerLen ; / / 版本號和頭長度 unsigned char ServType ; / / 服務(wù)類型 unsigned short Len ; / / 長度 unsigned short ID; / / 報文I

19、D unsigned short FlagAndFrag ; / / 標(biāo)記和分段 unsigned char TTL ; unsigned char Prt ; / / 協(xié)議標(biāo)識 unsigned short HdChksum; / / 頭校驗和 unsigned char srcIP4 ; / / 源IP 地址 unsigned char dstIP4 ; / / 目的IP 地址 ; struct UDPHead unsigned short srcPort ; / / 源端口號 unsigned short srcPort ; / / 目的端口號 unsigned short Len ; / / 長度 unsigned short Chksum; / / 校驗和 ; struct Frame struct EthHead ethhd ; struct IPHead iphd ; struct UDPHead udphd ; unsigned char can 10 ; / / 放置CAN 報文 short canle