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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20KB 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16KB，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1500 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(PeliCAN)，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 。
 
【CAN总线与以太网的嵌入式网关电路的设计与实现】图3 CAN 接口模块的硬件电路图

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