CAN总线与以太网的嵌入式网关电路的设计与实现

本文从以太网与工业现场总线的互联出发，主要介绍了CAN总线与以太网嵌入式网关电路的设计与实现，本文对比了CAN 和以太网相连的嵌入式网关设计的两种方法，并从硬件结构和软件结构两方面进行了阐述。
目前，对于CAN 和以太网相连的嵌入式网关设计主要有两种方法：一种是低档MCU 加接口芯片的设计方法，另一种是高档MCU 加EOS（实时多任务操作系统）再加接口芯片的设计方法。因CAN 只采用了ISO／OSI 参考模型的一、二层，协议相对简单，比较适合用于低成本、速率要求不高的离散控制系统。从合理的成本和有效利用处理能力这两方面考虑，该设计采用低档MCU 加接口芯片的方法，其硬件框图见图。


图1
主控芯片及以太网接口模块

根据要求，该系统选择了性能价格比较高的AT89C55单片机。它是面向测控对象和嵌入式应用的，所以它的体系结构以及CPU、指令系统、外围单元电路都是按照这种要求专门设计的。它内部带高达20 KB 的FLASH程序存储器，AT89C55完全兼容8051 指令集，片上FLASH方便了使用者进行在线编程，工作速率最高可达33 MHz，256 B 的内部RAM，32 个可编程的I／O口，3 个16 位的定时／计数器，8 个中断源，支持低功耗的空闲工作模式。

以太网接口选用的是RTL8019AS 芯片，它是一种高度集成的以太网控制器，能实现以太网媒介访问层（MAC）和物理层（PHY）的全部功能。RTL8019AS 内部有两个RAM 区域：一是16 KB，地址为0x4000～0x7fff，要接收和发送数据包必须通过DMA 读写RTL8019AS 内部的16 KB 的RAM，它实际上是双端口RAM，即有两条总线与其连接，一条总线用于RTL8019AS读／写或写／读该RAM，即本地DMA；另一条总线用于单片机读或写该RAM，即远程DMA；二是32 个字节，地址为0x0000～0x001F，用于存储以太网物理地址。主控芯片和以太网接口芯片的硬件接口原理图见图2。值得注意的是由于以太网的包最大可以超过1 500 个字节，AT89C55的片内RAM 只有256 个字节，因此无法存储这么大的包，所以这里扩展了一个32 KB 的外部RAM，这样同时也能提高单片机的数据传输速度。

图2 以太网接口电路原理图
CAN 接口模块

组成CAN 系统的主要器件是CAN 控制器和收发器。该设计中，CAN 接口模块选用SJA1000 芯片和PCA82C250芯片。SJA1000 是一个独立的CAN 控制器，它是Philips 公司另一个CAN 控制器PCA82C200 的替代产品，且增加了一种新的工作模式（Peli CAN），这种模式支持CAN 2．0B 协议。SJA1000主要完成CAN 的通信协议，实现报文的装配和拆分、接收信息的过滤和校验等。PCA82C250是CAN 控制器与物理总线之间的接口，主要用于增强系统的驱动能力。采用收发器的系统中，节点数至少可以达到110 个，同时还具有降低射频干扰（RFI）和很强的抗电磁干扰（EMI）能力。

特别注意：

（1）晶振电路的问题。89C55 和SJA1000都应该有各自独立的晶振电路，不能够用SJA1000的时钟输出信号CLKOUT 来驱动单片机。

（2） 复位引脚的问题。虽然SJA1000的复位是低电平，但不能通过一个非门直接连接单片机的复位引脚。一般对解决复位引脚问题有两种方式：第一种是使用单片机的I／O 引脚控制SJA 的复位引脚，其好处是单片机可以完全控制SJA的复位过程；第二种是采用适当的复位芯片，为了降低成本，该设计采取的是第一种方法。

（3）RX1 引脚的电位必须维持在约0．5 VCC 上，否则将不能形成CAN 协议所要求的逻辑电平。

（4）一定要注意电缆的终端阻抗匹配，它直接影响CAN 总线是否能正常工作和网络性能。CAN 接口模块的硬件电路图见图3，在PCA82C250的RS 脚上接有一个斜率电阻R，可根据总线通信速度适当调整电阻的大小。

图3 CAN 接口模块的硬件电路图