实现以太网与CAN总线

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1、随着Internet的普及，实现智能家居远程控制不再是人们的梦想，所谓 远程控制，是指管理人员在异地通过计算机网络异地拨号或双方都接入Internet 等手段，联通需被控制的计算机，将被控计算机的桌面环境显示到自己的计算机 上，通过本地计算机对远方计算机进行配置、软件安装程序、修改等工作。远程 唤醒（WOL ），即通过局域网络实现远程开机。CAN是控制器局域网络（Controller Area Network， CAN ）的简称，是由研发和生产产品着称的德 国BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准（ISO118 ？8）。是国际上应用 最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN总线协议已经成

2、为汽车计算机控 制系统和嵌入式局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车 和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来，其所具有的高可靠性和良好的错 误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁 辐射强和振动大的工业环境。CAN与以太网采用的，为计算机网络中进行数据 交换而建立的规则、标准或约定的集合。例如，网络中一个微机用户和一个大型 主机的操作员进行通信，由于这两个数据终端所用字符集不同，因此操作员所输 入的命令彼此不认识。为了能进行通信，规定每个终端都要将各自字符集中的字 符先变换为标准字符集的字符后，才进入网络传送，到达目的终端之后，再变换 为该终

3、端字符集的字符。当然，对于不相容终端，除了需变换字符集字符外。其 他特性，如显示格式、行长、行数、屏幕滚动方式等也需作相应的变换。1网关的硬件设计1.1系统硬件结构该系统的硬件部分主要由ARM、以太网接口、CAN接口、高速存储器、JTAG 口、复位电路和电源等组成，其系统硬件结构如图1所示。ARM移植TCP /IP通信协议和CAN协议，可完成以太网协议和CAN总线协议转换，实现以 太网接口和CAN接口通信数据的透明传输。以太网（Ethernet脂的是由Xerox 公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现 有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用C

4、SMA/CD（载波监听多 路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太 网与IEEE8023系列标准相类似。1.2主控制器的选择选用Philips公司ARM7TDMI内核的32位LPC2294 ,与一般单片机相 比,LPC2294可嵌入操作系统。LPC2294内嵌256 KB的高速FLASH存储器 和16 KB的静态RAM，多个外部中断和串行口 , LPC2294内部还集成了 CAN 控制器，只要加上CAN总线收发器就可以构成CAN节点，从而大大简化了硬 件电路。微处理器用一片或少数几片大规模组成的中央处理器。这些电路执行控 制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器与传

5、统的中央处理器相比具有体积小， 重量轻和容易模块化等优点。微处理器的基本组成部分有：寄存器堆、运算器、 时序控制电路，以及数据和地址总线。微处理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。它可 与存储器和外围组成微型计算机。自从人类1947年发明晶体管以来，50多年 间半导体技术经历了硅晶体管、集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电 路等几代，发展速度之快是其他产业所没有的。半导体技术对整个社会产生了广 泛的影响，因此被称为“产业的种子”。中央处理器是指计算机内部对数据进行 处理并对处理过程进行控制的部件，伴随着大规模集成电路技术的迅速发

6、展，芯 片集成密度越来越高，CPU可以集成在一个半导体芯片上。1.3系统电源电路和复位电路在该设计中，需要使用5 V，3.3 V和1.8 V的直流稳压电源。其中，5 V 电源由LM317L三端可调稳压器产生；3.3 V和l_8 V电源由可调节输出电压的 SPXIII7产生。系统复位电路的可靠性对整个系统的稳定起着非常重要的作用。 在复位电路中采用了电压监控芯片TPS383K33，它是10 ms或200。ms可选 的上电复位发生器，具有防按键抖动的手动复位输入功能，允许组成多个Ic的 菊花链电压监控等。复位电路如图2所示。图2中，nRST连接到LPC2294的 复位脚RESET ; nTRST接

7、以太网控制器ENC28J60的复位引脚。图？ 家蜒基位电路1.4 CAN总线接口CAN总线接口由LPC2294和CAN总线收发器等构成。这里采用带隔离 的高速cAN收发器CTMI050T，其主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换 为CAN总线的差分电平，并且具有（DC2500V ）隔离功能、ESD保护功能及 TVS管防总线过压功能，其内带隔离器，可减少外部相关电路的设计。CAN总 线接口电路如图3所示。CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个 输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或 悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会在出现在R

8、S-485 网络中的现象，即当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线 呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有 自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象 在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。而且，CAN具 有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低 系统开发难度縮短了开发周期，这些是仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。I图3 CAN总釵接口电踣1.5以太网接口P2：lLPC22MmrrSODS2P2.22SIOAXATLI XATL2EIN 11LINT!SOI Sil

9、RDITO ISiCKJCSIai so _st_RXD1 砥-CT闭咖T s30 pFL 陥在系统设计中，采用ENC28J60作为网络接口芯片。ENC28J60是美国微芯科技公司推出的28引脚独立以太网控制器内置以太网物理层器件（PHY） 及介质访问控制器（MAC），可按以太网协议可靠地收发信息包数据。另外，它 还具有可编程8 KB双端口 SRAM缓冲器，数据传输速率高达10 Mb/s。ENC28J60具有多种集成功能，如CRC校验、可编程过滤、可自动评价、接收或拒收多种信息包、数据滤波等功能，能高效率地进行信息包的存储、检索和修 改，可减轻主控的内存负荷。ENC28J60采用标准的SPI串

10、行接口，只需4条连 线即可实现与微处理器相连，而且它只有28个引脚，可以大大简化相关设计， 减小空间。网络插座采用RJ45插座HR911102A，其内置网络变压器、状态显 示灯和电阻网络，具有信号耦合电气隔离、阻抗匹配、抑制干扰等特点，可提高 系统抗干扰能力和收发的稳定性。以太网接口电路如图4所示。图4中ENC28J60 的 2 个中断引脚 INT 和 WOL 分别接 LPC2294 的 EINTI , EINT2 ; ENC28J60 的 SPI脚 SO ,SI，SCK，CS 分别接 LPC2294 的脚 MISO1，MISll，SCKl，CSl， 2个专用的引脚（LEDA丄EDB）用于连接

11、HR911102A的LEDG，LEDY，进行 网络活动状态指示。1.6外扩存储器接口由于LPC2294内部只有16 KB的RAM，不能满足以太网数据存储的空 间要求，该设计扩展了 256 KB的外部存储器，选用RAMTRON公司的存储器 芯片FM25256。FM25256是采用先进的铁电技术制造的非易失性存储器，具 有比其他非易失性存储器高得多的读写操作次数，可以承受超过一万亿次的读写 操作。存储器接口电路如图5所示。图 5 中 FM25256 的SPI脚 SO SI SCK,CS分别与 LPC2294 的 MISOO , MISIO, SCK0 , CS2脚相连。写保护引脚 WP与LPC22

12、94的P2.21相连。 FM25256主要用来存储以太网数据。2网关软件设计网关的软件设计采用MC/OS-H,它具有较小的内核结构，开发成本小， 执行效率高，移植也容易。初始化文件通过JTAG下载到网关并保存在FLASH 中。2.1 CAN通信软件设计该设计的关键是编写CAN驱动程序，主程序通过调用CAN驱动程序实 现接口数据的收发，驱动程序包括CAN控制器的初始化、接收数据、发送数据 和总线异常处理。211 CAN控制器的初始化初始化操作包括硬件使能CAN、软件复位、设备报警界限、设置总线波 特率、设置中断工作方式、设置CAN验收过滤器工作方式、设置控制器的工作 模式和启动CAN等。LPC2

13、294片内外设与引脚的连接由引脚连接模块控制。 CAN控制器的硬件使能就是通过软件设备GPIO寄存器来控制多路开关，将特 定的引脚与CAN控制器连接起来。212据的接收与发送LPC2294的每个CAN控制器中有3个发送缓冲区，发送数据时先查询CANSR寄存器是否空闲，若空闲才能写入数据，然后判断报文的类型，根据报 文类型调用相应的发送函数，即对数据进行封装并写入发送缓冲区，最后调用发 送命令。为了提高效率，接收数据采用中断方式，首先在CANopen的初始化程 序中要使能接收中断，当有中断发生，读取CANICR寄存器，判断接收中断标 志是否置位。2.1.3异常处理在总线发生严重故障的情况下，CA

14、N节点脱离总线，此时下述寄存器位 被置位为CANSR的BS位、CANIR的BEI位和EI位（如果使能）和CAN-MOD 的RM位。RM将许多CAN控制器功能复位和禁止。软件下一步必须置零RM 位。发送错误计数器将递减计数总线释放条件（11个连续的隐性位）的第128 个错误。2.2以太网通信软件设计221 ENC28J60的初始化LPC2294。对ENC28J60的各种操作均通过SPI接口进行，包括寄存器 的设置、数据的发送和接收。LPC2294的SPI工作在主动方式，即ENC28J60 的SPI时钟信号由LPC2294提供。222 TCP/IP协议该设计采用嵌入式系统中广泛应用的LwIP协议栈

15、。LwIP TCP /IP实现的特点是在保持协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，这使协议栈LwIP适合在低端嵌入式系统中使用。LwIP协议栈应用到的协议有ARP ,IP,IcMP,TCP，UDP，其具有滑动窗口、拥塞控制和接收分片的分组功能。在LwIP中可 以有多个网络接口，每个网络接口都对应一个strut netif()。netif包含了相 应网络接口的属性、收发函数。采取调用netif的方法netifTnpln()及netif output ()进行以太网packet的收、发等操作。2.3 以太网/CAN双向协议转换整个设计中最为关键的就是CAN协议与TCP/IP协议的相互转换。协议

16、转换流程图如图6所示。HCAN細其具体过程如下：当网关接收到数据，首先判断数据类型，如果是从CAN接口接收CAN协议报文，便分离出数据部分，再将报文数据部分按系统规定的 应用层格式进行封装，然后将应用层数据存入以太网接口发送缓冲区，由该接口 在数据前面依次添加TCP或UDP头、IP头、以太帧头，最后封装成以太帧后， 通过以太网接口发往以太网。若接收到的以太网数据，数据转换过程相反，依次 去掉IP头、TCP或UDP头和应用层头，再将应用层数据按CAN报文格式封装 好后存入CAN接口发送缓冲区，由CAN接口发往CAN网络中相应设备。若应 用层数据长度大于8 B，则还需将数据以8 B为一组进行拆分。3结语符合IEEE802.3协议的ENC28J6