基于ARM的嵌入式網關系統設計與實現策略

????0 概 述

　　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***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。

　　2 協議轉換流程

　　當CAN總線上的設備向Ethernet網發送數據時，嵌入式網關將接收到的CAN數據包解析，提取數據域中的內容；然后按照TCP／IP協議進行封裝，嵌入式網關將經過封裝的數據發送給以太網控制芯片RTL8019AS。由RTL8019AS自動給這些數據添加以太網物理層和邏輯鏈路層所需的相關信息，通過物理接口傳送到以太網。反之，當以太網向CAN總線上設備發送TCP／IP數據包時，它首先將數據發送到RTL8019AS，嵌入式網關從RTL8019AS中接收到數據后，提取實際要傳送的數據，然后封裝成CAN總線數據格式，通過CAN總線將數據發送到網絡中的現場設備。

　　嵌入式網關硬件必須具有以太網接口和CAN總線接口，而軟件要有TCP／1P協議棧和CAN總線驅動程序；通常嵌入式Linux內核中有完整的TCP／IP協議棧。由于REALTEK公司支持Linux的開發，Linux系統中已含有RTL8019AS芯片的通用驅動程序，CAN總線協議驅動并不是標準配置。因此，設計CAN總線接口及其編制驅動程序是實現嵌入式網關最主要的工作。

　　3 CAN驅動程序設計

　　Linux驅動程序屬于Linux內核的一部分，是嵌入式系統控制硬件的接口，它為用戶屏蔽設備的工作細節，并向用戶提供透明訪問硬件設備的機制。驅動程序的開發在嵌入式系統開發中具有舉足輕重的地位。開發出穩定、完備的驅動程序可提高整個系統的性能。

　　3．1 CAN驅動程序流程

　　MCP2510的內部結構框圖如圖2所示。

　　MCP2510內含3個發送緩沖器和2個接收緩沖器，同時還具有靈活的中斷管理能力。CAN協議機負責與CAN總線的接口，SPI接口邏輯用于實現同MCU的通信，而寄存、緩沖器組與控制邏輯則用來完成各種方式的設定和操作控制。

　　在Linux多任務操作系統中，CAN總線通信程序的設計可分為發送數據模塊、接收等待模塊和中斷處理模塊實現。系統中CAN總線的數據發送和接收是兩個不同的線程。在驅動程序中建立數據發送和接收緩沖區。中斷處理程序只負責填充(或讀取)緩沖區中的數據，然后喚醒等待接收(或發送)數據的任務。數據的發送與接收都通過獨立的緩沖區，并由中斷來實現。操作系統的中斷響應時間在軟件上決定了CAN總線數據的最快收發速度。

　　3．2 CAN設備驅動程序的實現要點

　　3．2．1 CAN設備驅動操作函數

　　CAN設備驅動程序最終提供給應用程序的是一個流控制接口，主要包括：open，realse，read，write，ioctl等操作。添加設備驅動程序，實際上就是給上述操作編寫相應的程序代碼。驅動程序加載到內核時，會首先運行驅動程序的初始化函數，然后等待系統調用在file_operations數據結構中定義的相關函數，實現對設備的操作。系統使用Linux 2．4．18版本，其文件系統接口被寫義為：

　　s3c2410_mcp2510_open負責對將要進行的I／O操作做好必要的準備工作，主要包括限制CAN打開次數、清空3個發送緩沖區和2個接收緩沖區等。

　　s3c2410_mcp2510_write將要發送的數據通過SPI總線將數據傳送MCP2510的發送緩沖器，再通過MCP2510將數據發送到CAN總線。

　　s3c2410_mcp2510_read用于將MCP2510從CAN總線上接收到接收緩沖器的數據，通過SPI總線讀到用戶區，并返回所讀出的字節數。

　　s3c2410_mcp2510_ioctl用于控制CAN總線通信的波特率、設置幀ID、設置工作模式、設置設備濾波器等工作。

　　s3c2410_mcp2510_release用于釋放所占用的內存、中斷等資源。

　　3．2．2 CAN設備的初始化函數

　　CAN設備的初始化函數主要負責創建CAN設備的節點設備文件、注冊CAN設備的中斷處理函數、初始化MCP2510等工作。

　　在Linux系統中，初始化函數從s3c2410_mcp2510_init()開始。通過調用register_chrdev向系統注冊字符型設備驅動程序；通過devfs_register()函數創建設備文件系統的CAN設備節點。同時，CAN設備驅動程序通過調用request_irq函數來申請中斷，向系統注冊CAN設備的CAN中斷處理函數s3c2410_isr_mcp2510()。在實現了MCP2510的各個接口函數后，還需要編寫MCP2510的模塊加載函數module_init()和模塊卸載函數module_exit()，用于向內核注冊設備及注銷設備。

　　3．2．3 驅動程序的加載與使用

　　Linux設備驅動會以內核模塊的形式出現。Eth-ernet／CAN網關設備驅動程序作為內核的一部分，應在編譯時把設備驅動程序編譯成可加載的模塊。當使用insmod命令加載內核模塊時，模塊的加載函數mod-ule_init(初始化函數名)會自動被內核執行，將初始化函數加入內核全局初始化函數列表中，在內核初始化時執行驅動的初始化函數，從而完成驅動的初始化和注冊，之后驅動便停止等待，被應用程序調用。當用rm-mod命令卸載某內核模塊時，模塊的卸載函數module_exit(退出處理函數名)也會自動被內核執行，完成與模塊加載函數相反的功能。當驅動程序加載到內核中后，就可將CAN設備文件進行open，read，write，release等操作。

　　4 結語

　　隨著工業控制系統性能的提高，以太網在工業上的應用也會越來越廣泛。在此詳細介紹了一種嵌入式網關的設計與實現。作為連接以太網和現場總線的紐帶，實現以太網與CAN現場總線之間的協議轉換，為CAN／Ethernet的互聯提供了一種傳輸速度快、成本低，穩定性和安全性高的解決方案。同時，利用嵌入式ARM處理器，接口資源豐富，設計通用性強，便于擴展其他現場總線與以太網的互聯，具有較好的應用推廣價值。