一种基于ARM的嵌入式网关系统设计与实现

引 言
CAN(Controller Area Network)为控制器局域网络，CAN总线规范已经被国际标准化组织制订为国际标准ISO11898，并得到众多半导体器件厂商的支持，推出各种集成有CAN协议的产品。CAN属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术和独特的设计，低成本、高可靠性、实时性、灵活性、抗干扰能力强等特点，已被广泛应用于各个自动化控制系统中。在汽车电子、自动控制、电力系统等领域，CAN总线具有无可比拟的优越性。
以太网以其通信数据量大、传输速度快、开放性好、成本低等优点，弥补了现场总线通信速率低的缺陷，成为现阶段信息网络应用最广的局域网技术。用以太网直接进入工业控制领域，目前还存在一些问题，以太网的媒体访问方式CSDA／CD不能保证网络传输的确定性和实时性，不能满足工业现场恶劣环境的要求。将以太网引入工业测控领域，通过与现场总线(CAN BUS)分工合作，构成两种异构网络结构，将高效的以太网和低速的现场总线相结合，解决大规模测控系统实时性和可靠性矛盾，提高整个系统的工作效率。两种异构网络的互连，需要用嵌入式网关实现。
CAN／Ethernet网关设计的主要任务是协议转换，要求数据解析正确完整，同时响应迅速、耗时低、实时性和安全性好。基于RISC架构的ARM微处理器指令执行效率高，软件操作平台易于建设，同时具备丰富的外围扩展电路，能满足实时多任务要求。使用ARM技术构造以太网与CAN现场总线协议转换网关是一种高效可行的方案。

1 网关硬件系统组成
网关的主要功能是进行以太网数据报文与CAN数据帧之间的协议转换，实现以太网与CAN总线的互联。系统的硬件组成包括CAN总线接口设计和以太网接口设计，如图1所示。

S3C2410是Samsung公司推出的一款低价位、低功耗、高性能的32位RISC嵌入式处理器。该芯片采用ARM920T内核，5级流水线和哈佛结构，工作频率高达266 MHz，运行速度可达1．1 MIPS。S3C2410提供了丰富的内部资源，如：SDRAM控制器、LCD控制器、3通道的UART、4通道的DMA、2个SPI模块，支持轮询、中断与DMA三种数据发送模式。虽然内部没有CAN控制器，但可以通过SPI接口进行扩展，接口电路简单，易于实现。
CAN总线接口电路主要采用带SPI接口的独立CAN控制器MCP2510、CAN总线收发器TJA1050、高速光隔6N137和DC／DC电源隔离模块DCR010505等设备组成。独立CAN控制器MCP2510完全支持CAN总线的V 2．0A和V 2．0B的技术规范。系统设计时，将MCP2510作为从设备连接到S3C2410的SPI0口。TJA1050总线收发器是CAN控制器和物理总线之间的接口芯片，增强了总线的驱动能力。为增强CAN总线节点的抗干扰能力，MCP2510的TXCAN和RXCON并不直接与TJA1050的TXD和RXD相连，而是通过两片光电耦合器6N137与TJA1050相连，同时光隔芯片的两端电源采用DC／DC模块进行隔离。这样就实现了系统外总线CAN节点间的完全电气隔离，增强了节点的稳定性和安全性。总线两端都接有1个终端电阻(120 Ω)和1个TVS管，以消除反射信号，有效提高系统的抗干扰能力。
以太网接口电路是在S3C2410片上扩展网络接口芯片RTL8019AS，RTL8019AS是台湾REALTEK公司生产的一种基于ISA总线的高度集成的以太网控制器。它实现了以太网媒介访问层(MAC)和物理层(PHY)的全部功能，包括MAC数据帧的收发、地址识别、循环冗余检验(Cyclic Redundancy Check，CRC)编码／校验、曼彻斯特编解码、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正等。RTL8019AS与主处理器有3种接口模式，跳线模式(Jumper)，即插即用模式(PnP)和免跳线模式(Jumperless)。系统采用常见的跳线模式来选择I／O端口和中断。