作者：黃培燦，趙維佺，黃榮舜，鄒裕

    CAN(Controller Area Network)即控制器局域網絡，是國際上應用最廣泛的現場總線之一，已經成為計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線。網絡化運動控制系統(Networked Motion Control Systems)就是構建在控制器與電機驅動器之間，能夠實時、同步地傳送運動控制指令和接收運動狀態，并且控制閉環通過網絡連接的運動控制系統。為引入CAN總線技術以實現運動控制系統的網絡化，筆者提出一種基于LPC2294的CAN總線主控制節點的硬件及軟件設計方案，具有高性能、高可靠及良好擴展性的特點，非常適用于運動控制系統。

1 總體設計

    主節點采用ARM7內核的LPC2294微控制器，使用RTL8019AS作為以太網控制器，軟件上采用具有網絡功能強、性能穩定、移植性好的μCLi nux作為操作系統。基于CAN總線的運動控制系統，主要由1個主節點(主控制器節點)、若干個從節點(電機控制節點)以及1臺計算機構成，主節點與從節點之間通過CAN總線進行通信，主節點與計算機之間則通過以太網進行通信，如圖1所示。



    主節點主要功能包括：1)通過CAN總線發送電機控制信息給從節點，并接收各從節點的反饋信息：2)通過以太網與計算機監控端進行通信，以實現遠程監控。
1．1 整體硬件設計

    主節點整體硬件結構如圖2所示。



    主節點采用的LPC2294基于ARM7TDMI內核的32位處理器，帶有256kB高速FLASH、16kB靜態RAM，內部集成4路CAN控制器，支持SRAM、FALSH擴展。由于LPC2294內部集成CAN，因此外部只需CAN收發器與之連接。CAN收發器選用周立功的CTMl050T。CTM1050T是一款帶隔離的高速CAN收發器，主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，并具有隔離功能(DC2500 V)、ESD保護功能及TVS管防總線過壓功能。  LPC2294具有外部存儲器控制器(EMC)，通過該部件可以擴展更多的FLASH和SRAM以及以太網、USB等外設。主節點采用RTL8019AS作為以太網控制器，分別使用MT45W4MW16、SST39VF1601、K9F2G08UOA進行SRAM、NORFLASH、NANDFLASH的擴展。

1．2 軟件結構

    主節點軟件結構如圖3所示，U-Boot作為BootLoader(啟動引導程序)，負責初始化目標板硬件與引導操作系統。這里采用μCLinux作為嵌入式操作系統。μCLinux(microcontrol linux)即“微控制器領域中的Linux系統”，主要是針對目標處理器沒有存儲管理單元(MMU)的嵌入式系統而設計的。它保留了Linux的大多數優點：穩定、良好的移植性、優秀的網絡功能、對各種文件系統完備的支持和標準豐富的API。同時μCLinux包含大量的設備驅動程序，以及提供良好的驅動程序開發框架。驅動程序開發或配置主要包括CAN、以太網以及NANDFLASH3大部分。上層應用程序通過使用CAN接口函數、Socket接口以及庫函數進行各種應用開發。整個系統的啟動過程是：U-Boot把μCLinux內核從NORFLASH中加載到SRAM中，然后啟動μCLinux，μCLinux初始化硬件及建立運行環境后，自動運行預設的應用程序。



2 硬件設計

2．1 LPC2294最小系統

    LPC2294采用LQFP144封裝，最小系統需要模擬和數字3．3 V電源以及核心電源1．8 V。為了便于串口波特率的設置，外部接11．0 592 MHz晶振。P2．26(BOOT0)通過10 kΩ電阻上拉，P2．27(BOOT1)接一跳線座，通過跳線讓P2．27可選擇接高電平或低電平以選擇從內部FLASH或外部NORFLASH啟動。由CAT1025構成手動復位監控電路，提高了系統的可靠性。當SW按鍵按下時，CAT1025的2引腳輸出持續為大于150 ms的低電平，LPC2294復位。在CAT1025的2引腳通過10 kΩ電阻上拉，防止產生錯誤的引腳輸出狀態，復位電路如圖4所示。



2．2 SRAM和NORFLASH電路

    為了運行μCLinux操作系統，必須擴展系統RAM與FLASH。LPC2294具有外部存儲器控制器(EMC)，該部件可同時支持多達4個單獨配置的存儲器組。每個存儲器組都支持SRAM、ROM、Flash EPROM、Burst ROM以及外部I／O設備。主節點外部存儲器地址分配情況如表1。



    主節點采用的SRAM和NORFLASH分別是MT45W4MW16、SST39VF1601。MT45W4MW16是一個16位、8 MB容量的PSRAM。SST39VF1601是一個16位的CMOS多功能Flash MPF器件，儲存容量為2 MB。其電路連接如圖5、圖6所示。



2．3 NANDFLASH電路

    NANDFLASH用作存放μCLinux的根文件系統和應用程序，使用Jff2文件系統格式。NANDFLASH采用三星公司的K9F2G08UOA，存儲容量為256 M。NANDFLASH的數據接口為8位串行接口，使用nCS2作為片選線，地址區間使用0x8200 0000—0x82FF FFFF，CLE(指令使能)和ALE(地址使能)分別連接到地址總線A2和A3，因此NANDFLASH的數據寫入地址為0x82000000，命令寫入地址為0x82000004，地址寫入地址為0x82000008。R／B(準備／忙等待)連接到P1．18，用于讀取當前狀態，此引腳須上拉。其電路連接如圖7所示。



2．4 CAN接口電路

    LPC2294內部集成了4路CAN控制器。每個總線上的數據傳輸速率高達1 Mb／s，兼容CAN2．0B。LPC2294沒有集成CAN收發器，無法將TTL電平轉換為CAN總線的差分電平信號。因此主節點采用了帶有隔離功能的CTM1050T作為CAN收發器。在CAN總線兩端須連接120Ω的電阻，以匹配總線阻抗，提高數據通信的抗干擾性及可靠性。以下是1路CAN收發器的電路圖，其余3路連接方式與此一樣。

2．5 以太網電路

    主節點采用RTL8019AS作為以太網控制器。RTL8019AS是一種全雙工即插即用的以太網控制器，已集成了RTL8019內核和一個16 kB的SDR AM存儲器。它兼容RTL8019控制軟件和NE2000 8 bit或16 bit的傳輸。網絡接口采用帶網絡變壓器的HR901170A。RTL8019AS使用的片選線為nCS3，地址范圍為0x8300 0000-0x83FF FFFF，由于只有256 B的寄存器，因此可操作地址范圍為0x8300 0000-0x8300 00FF。RTL8019AS使用20M晶振。

3 軟件設計

3．1 U-Boot移植

    U-Boot(Universal Boot Loader)是遵循GPL條款的開放源碼項目。從FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步發展演化而來，支持多種嵌入式操作系統內核與微處理器系列。U-Boot的啟動過程：初始化目標板硬件。給嵌入式操作系統提供板上硬件資源信息，加載、引導嵌入式操作系統。主節點使用U-Boot-2009-01，它不僅支持ARM-720T內核，而且間接提供了對LPC2294的板級支持。U-Boot的移植過程：首先通過修改star t．s文件設定系統主頻：然后針對U-Boot所支持的LPC2292硬件資源配置信息作必要的修改，如外部存儲器控制器(EMC)、以太網控制器等的硬件連接信息；接下來修改串口驅動代碼使之與系統主頻匹配；最后通過配置菜單配置U-Boot，主要配置所需要的命令和所要支持的硬件。
3．2 μCLinux移植

    LPC2294沒有MMU單元，不能運行定制的Linux，只能使用μCLinux。主節點移植的μCLinux版本號為2．6．25。從該版本開始，μCLinux支持CAN總線驅動。移植過程如下：

    1)打Philips公司針對該芯片提供的官方補丁；

    2)修改NANDFLASH部分的驅動程序；

    3)配置μCLinux內核；

    4)交叉編譯內核。

    所需源碼及補丁文件如表2所示。



    移植需要修改的部分驅動代碼：

    1)修改arch／arm／math-lpc22xx／head．s因為μCLinux假設運行前已由BootLoader完成基本硬件初始化工作，因此不再進行系統時鐘頻率、串口初始化等基本硬件的初始化。在head．s文件中包括初始化存儲器控制器、系統分頻器PLL等部分代碼，需要更改這部分代碼，使之與U-Boot中Lowlevel_init．s文件的描述一致。另外μCLinux運行前必須由BootLoader將其內核裝入內存偏移量為0x80000000的地方，因此要保證在μCLinux源碼中的對應設置與啟動引導程序的初始化設置相同。

    2)修改NANDFLASH驅動代碼

    μCLinux內核從2．6．14開始更改了NANDFLASH的驅動代碼，使驅動更加智能化，不再需要寫讀寫函數，只需要實現讀寫時序函數。時序函數只關心如何來發送指令到NANDFLASH，例如寫指令周期需要對ALE線使能，那么μCLinux下的讀寫函數會給這個時序函數發送一段指令中包含使能ALE線的指令，然后將數據寫到數據總線上，CLE的實現與之相類似。

3．3 CAN控制器驅動設計

    對于微處理器來說，CAN控制器完全是基于事件觸發的，即CAN控制器會在本身狀態發生改變時，會將狀態變化的結果告訴微處理器。所以微處理器處理CAN控制器時，可以采用中斷的方式，也可以采用輪詢查看CAN控制器狀態的方式來對CAN控制器做出相應的處理。在μCLinux下CAN驅動程序設計包括初始化函數、讀函數、寫函數、中斷服務函數等設計，使用文件指針注冊設備，用戶程序則通過對設備文件的操作來收發CAN總線數據。CAN驅動程序主要功能包括：

    1)CAN控制器的初始化CAN控制器的初始化工作包括硬件使能CAN、設置管腳連接、軟件復位、設置CAN報警界限、設置總線波特率、設置中斷工作方式、設置CAN驗收過濾器的工作方式以及啟動等。

    2)CAN總線數據發送先將數據送到發送緩沖區，然后對發送寄存器賦值以啟動發送。CAN控制器只負責發送，并不保證發送成功。因此要知道是否發送成功，須查詢TCS狀態位，或配合發送成功中斷來判斷。

    3)CAN總線數據接收CAN總線數據接收通過讀取狀態寄存器查詢當前緩沖區中是否有數據，當有數據時將數據讀出并放到CAN接收環形數據存儲區中，當用戶程序需要數據時則從該緩存區中讀出。

    4)CAN中斷處理 通過中斷獲知CAN控制器的當前狀態，然后做出相應的處理，包括接收中斷處理、發送中斷處理以及異常中斷處理。中斷處理由中斷服務函數實現。

4 結論

    本文提出一種基于LPC2294微控制器，使用μCLinux作為操作系統的CAN主節點軟硬件設計方案。主節點通過擴展SRAM、FLASH提高了系統的性能，采用帶隔離功能的CAN收發器增強了CAN總線節點的抗干擾能力，外接以太網控制器實現了計算機遠程監控。基于μCLinux的軟件系統既提高了系統的穩定性、應用軟件的開發效率，又使得眾多的Linux平臺軟件可容易地移植到主節點，增強系統的功能。通過制作了樣機并進行實驗，驗證了這一方案的有效性。