ARM处理器的CAN-Ethernet通信模块实现

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                    　　近20 年来工业测控系统发展的趋势是:分散控制和集中管理、标准化和开放性。工业测控系统从传统的集中测量控制系统转向网络化的集散控制系统。随着现场总线技术高速发展和标准化程度不断提高,以现场总线技术为基础的开放型集散测控系统—现场总线测控系统得到了广泛的应用。同时,以太网的应用也迅速向工业测控系统渗透,在工业自动化应用中异军突起。

　　这种趋势的出现与计算机技术、信息技术、网络通信技术的高速发展相关。现代工业系统信息交换的需求也已经从管理层内部迅速覆盖到控制、现场设备等各个层次,连接上层网络和现场总线的通信设备成为工厂自动化系统中的关键设备之一。CAN-Ethernet通信模块,是一种直接连接以太网和CAN现场总线的设备,有效解决了控制系统中现场总线和上层信息管理层的互联问题,使自动化系统中的信息交换可以深入到现场设备一级。

1 　CAN 总线和以太网的连接

　　现有的CAN 总线到以太网的通信实现方案中,采用较多的是使用一台连接以太网的计算机,在计算机中安装一块内置式CAN通信板卡;或者通过计算机并行和串行接口外接CAN 的通信模块。这种方法有一定局限性,例如,使用计算机体积大,成本高;计算机故障后的重启速度慢,这可能严重影响系统的工作。采用基于ARM微处理器的单板机系统建立CAN-Ethernet 通信模块,可以很好地解决上述问题,降低系统的成本,提高其性能。CAN-Ethernet通信模块连接以太网和CAN 总线的结构如图1 所示。在以太网和CAN 总线之间,可以挂接一个通信模块连接两种网络,也可以使用多个通信模块形成多个通路。对于第二种情况,以太网上的计算机可以通过指定IP地址和上层协议的端口选择通路。



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图2 　系统的硬件连接示意图 　　GAL 芯片选用GAL16V8D-15LP ,它的传播延迟时间为15ns ,反馈延迟时间为7ns ,适于较高速度的工作。除了产生总线收发器芯片的控制信号外,同一片GAL 还用来产生SJA1000 需要的控制信号。根据处理器S3C44B0x 的输出信号, 包括为SJA1000分配的地址组选通信号nGCS3和RTL8019分配的地址组选通信号nGCS4、读写信号线nOE和nWE,可以产生总线收发器LCX245所需要的DIR和OE信号,各信号如图3 所示。



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图4 　OE 和DIR 次态 卡诺图　　根据卡诺图重新写出的次态逻辑产生式,消除单独输入(包括OE 和DIR 的当前状态) 变化可能引起的竞争- 冒险现象后为:

　　OEn = (nOE &nWE) # (nOE & ! DIR) # (nWE &DIR) # (nGCS3 &nGCS4 &nGCS5) ; ///

　　DIRn = ( ! OE &DIR) # (nOE &DIR) # (nOE &OE) # (nGCS3 & nGCS4 &nGCS5) ;

　　编译GAL 逻辑时应严格按照逻辑式生成与或逻辑。

　　2. 2 　CAN 总线通信控制芯片SJA1000 的读写

　　CAN总线通信控制芯片SJA1000 没有提供单独的地址线,而使用可以与Intel 和Motorola系列微控制器兼容的分时复用地址/ 数据线。在一个读写周期内,微控制器首先输出操作地址并使地址锁存信号ALE 有效,SJA1000 在ALE 信号的下降沿将操作地址锁在片内;之后微处理器发出读写信号进行数据传输。但S3C44B0x 的数据线和地址线是分离的,对SJA1000 的读写操作需要模拟微控制器,先在数据线上写一个操作地址,并模拟产生一个ALE 信号锁存这个地址,之后进行正常的读写操作。系统使用地址线ADDR0 区分地址传输和数据传输:写奇地址时,不选通SJA1000 芯片,但给出一个有效的模拟ALE 信号;读写偶地址时,选通SJA1000 读写数据。另外,系统同时有两路CAN 总线接口,读写操作根据地址线ADDR1 区分两个SJA1000 芯片,两个片选信号和ALE 信号都要通过GAL 芯片产生,各信号如图5所示。



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图6 　通信模块软件流程图　　在调试过程中发现,如果转发过程被特定的中断程序打断,可能发生报文计数错误;如果向RTL8019AS写入待发送报文的过程被以太网接收中断打断,就无法恢复写入过程了。因此在转发过程中应屏蔽相应的中断。

4 　结束语

　　采用上述方法实现的CAN-Ethernet 通信模块,解决了以太网和现场总线CAN 总线之间互联问题,可以根据应用的需求,进行灵活的配置和改进,提高系统的性能和可靠性。实际证明,在局域网环境下模块工作可靠,在以太网负载适中时,只有很小的通信延迟。它为CAN-Ethernet 的互联提供了低成本、高性能及灵活的解决方案。