基于CAN总线的嵌入式网络控制器

引言

CAN (Controller Area Network)现场总线是一种支持分布式控制系统或实时性控制的串行通信网络．具有成本低、可靠性高、抗干扰能力和实时性强等特性，是最普及的工业现场总线之一。CAN总线现在己经广泛应用于诸多领域．具有较强的市场竞争力，但要充分发挥它的组网控制功能，打破地域界限，实现远程控制，就必须借助于现在被广泛应用的以太网(Ethemet)技术。

1 系统设计方案

本文所设计的嵌入式协议转换网关，可以实现CAN总线与以太网的互联，即实现以太网能够通过网关读取CAN总线上的数据，同时也可以向CAN总线发送命令以实现上位机对现场设备的监控。如图1网关架构图所示。


图1控制器架构图

本系统的硬件要求功能强大，能够提供足够的平台，因此选择S3C2410X处理器。S3C2410X微处理器是Samsung公司为手持设备设计的低功耗、高集成度的基于ARM920T核的微处理器。S3C2410X内部没有集成的以太网控制器，所以系统设计中选择RTL8019AS控制器作为以太网控制器。另外S3C2410X中也没有集成的CAN控制器，在此选择MCP2510为CAN控制器，S3C2410X通过SPI端口控制MCP2510。

软件设计方面，由于以太网协议比较复杂，由于所选的微处理器和以太网协议比较复杂，以及系统对时间要求比较苛刻．为了更好的管理微处理器，选择了Linux操作系统作为软件开发平台。选择在S3C2410X处理器上运行Linux操作系统，可以为以后的功能拓展打下一个很好的基础，在此基础上扩展功能，无须再改变处理器和操作系统。

2 系统硬件电路设计

本文确定采用ARM9控制器S3C2410芯片为核心微处理器，以及源代码开放的“nux操作系统。其中硬件平台南核心模块和外同电路组成。核心模块上设计有S3C2410X微处理器、SDRAM存储器、F1ash存储器。采用该核心模块作为核心处理器，在硬件电路设计过程中只需设计其外围电路。

2．1电源电路设计


图2 系统5V电源电路原理图

系统中电源的设计是至关重要的，因为它是系统工作的源动力，因此电源的设计也要非常谨慎．要考虑所设计的电源在达到系统稳定工作要求的同时，还要减少系统功耗。在该设计中，需要使用到5V,3.3V和1.8V的直流稳压电源。由于ARM核心板内含有1.8v内核供电电源，因此只需提供5V和3．3V的供电电路，其电源电路分别如网2，图3所示。


图3系统3．3V电源电路原理图

2．2复位电路设计

复位电路的设计是为了在系统工作异常时，能够进行复位，使得系统重新同到正常状态。当nRESET信号变为低时，ARM920T就会放弃所有正在执行的程序，然后从停止点以下的指令地址中取出指令，复位电路图如4所示。


图4系统复位电路原理图

2.3串口电路设计

串行端口的本质功能是作为CPU和串行设备间的编码转换器，RS232串行接口电路用于网关系统与应用系统的短距离双向串行通讯。在本设计中采用的是DB-9接口。在本设计中，虚拟机通过串口向目标机发送命令和接收命令，如在打开目标机时要启动目标机的Linux系统，命令run loadlinux就是通过串口到达目标机的，同样，还有一系列其他的命令语句，都是通过串口实现目标机与虚拟机的必要的命令通讯，串口的电路原理图如下图6所示。


图5系统串口电路原理图

图中表示了RS-232接13与目标机之问的连接关系，它们之间包括了一个SP3232ECA电压转换芯片，SP3232ECA如图中所示，DB-9是接至虚拟机端的，虚拟机需要的工作电压为5v，而目标机即ARM核心板上的一r作电压为3．3v，要在两者问进行数据发送或接收时需进行电平转换。SP3232ECA在接至目标机端时，R1OUT和R20UT串接电阻用来防止意外的逻辑混乱。

2．4 CAN接口电路设计

在S3C2410X处理器中没有直接嵌入的CAN接口，所以要选择独立的CAN控制器。由于S3C2410X处理器设有SPI接口，MCP2510控制器的引脚设计中也包括了SPI接口，这样CAN控制器MCP2510可以通过SPI接口与处理器的SPI接口相连，简化端口电路的设计，所以设计中所选则MCP2510作为CAN控制器。

MCP2510主要由3部分组成：CAN协议引擎：用来为器件及其运行进行配置的控制逻辑和SRAM寄存器：SPI协议模块。CAN协议引擎的功能是处理所有总线上的报文发送和接收。CPU通过SPI接口与器件进行通信。通过使用标准SPI读写命令对寄存器所有读写操作。MCP2510采用标准的4MHz晶体，内部寄存器的控制分频系数来调节。它的输出到总线的速率也可通过设置MCP2510的SPI接口与S3C2410X的SPIO相应的接口相连，实现CPU对其的控制。MCP2510控制器发送输出和接收输入引脚通过光电隔离连接到CAN总线收发器TJAl050上，光电隔离采用高速通信光耦6N137芯片，保证了节点之间在电气上的完全隔离和独立，提高了电路的稳定性和安全性。

2．5以太网接口电路设计

在本设计中RTL．8019AS是以太网控制的核心，10M以太网接口为系统提供了以太网接入的物理通道，它与S3C2410X的相应引脚相连，实现以太网的读写功能。RTL8019AS与S3C2410X相连的引脚如下表1所示。


表1 RTL8019AS与S3C2410X相连的引脚