黃培燦，趙維佺，黃榮舜，鄒 裕

（東莞理工學(xué)院 廣東 東莞 523808）

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線。網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（Networked Motion Control Systems）就是構(gòu)建在控制器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間，能夠?qū)崟r(shí)、同步地傳送運(yùn)動(dòng)控制指令和接收運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且控制閉環(huán)通過網(wǎng)絡(luò)連接的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[1]。為引入CAN總線技術(shù)以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，筆者提出一種基于LPC2294的CAN總線主控制節(jié)點(diǎn)的硬件及軟件設(shè)計(jì)方案，具有高性能、高可靠及良好擴(kuò)展性的特點(diǎn)，非常適用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。與從節(jié)點(diǎn)之間通過CAN總線進(jìn)行通信，主節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)之間則通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，如圖1所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of motion control system

1 總體設(shè)計(jì)

主節(jié)點(diǎn)采用 ARM7內(nèi)核的 LPC2294微控制器[2]，使用RTL8019AS作為以太網(wǎng)控制器，軟件上采用具有網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)、性能穩(wěn)定、移植性好的μCLinux作為操作系統(tǒng)?；贑AN總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，主要由1個(gè)主節(jié)點(diǎn)（主控制器節(jié)點(diǎn)）、若干個(gè)從節(jié)點(diǎn)（電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)）以及1臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成，主節(jié)點(diǎn)

主節(jié)點(diǎn)主要功能包括：1）通過CAN總線發(fā)送電機(jī)控制信息給從節(jié)點(diǎn)，并接收各從節(jié)點(diǎn)的反饋信息；2）通過以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控端進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1.1 整體硬件設(shè)計(jì)

主節(jié)點(diǎn)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structue

主節(jié)點(diǎn)采用的LPC2294基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位處理器，帶有256 kB高速FLASH、16 kB靜態(tài)RAM，內(nèi)部集成4路CAN控制器，支持SRAM、FALSH擴(kuò)展。由于LPC2294內(nèi)部集成CAN，因此外部只需CAN收發(fā)器與之連接。CAN收發(fā)器選用周立功的CTM1050T。CTM1050T是一款帶隔離的高速CAN收發(fā)器，主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，并具有隔離功能（DC2 500 V）、ESD保護(hù)功能及TVS管防總線過壓功能。LPC2294具有外部存儲(chǔ)器控制器 （EMC），通過該部件可以擴(kuò)展更多的FLASH和SRAM以及以太網(wǎng)、USB等外設(shè)。主節(jié)點(diǎn)采用RTL8019AS作為以太網(wǎng)控制器，分別使用MT45W4MW16、SST39VF1601、K9F2G08U0A進(jìn)行SRAM、NORFLASH、NANDFLASH的擴(kuò)展。

1.2 軟件結(jié)構(gòu)

主節(jié)點(diǎn)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示，U-Boot作為BootLoader（啟動(dòng)引導(dǎo)程序），負(fù)責(zé)初始化目標(biāo)板硬件與引導(dǎo)操作系統(tǒng)。這里采用μCLinux作為嵌入式操作系統(tǒng)。μCLinux（microcontrol linux）即“微控制器領(lǐng)域中的Linux系統(tǒng)”，主要是針對(duì)目標(biāo)處理器沒有存儲(chǔ)管理單元（MMU）的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。它保留了Linux的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、對(duì)各種文件系統(tǒng)完備的支持和標(biāo)準(zhǔn)豐富的API。同時(shí)μCLinux包含大量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，以及提供良好的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)框架。驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)或配置主要包括CAN、以太網(wǎng)以及NANDFLASH3大部分。上層應(yīng)用程序通過使用CAN接口函數(shù)、Socket接口以及庫函數(shù)進(jìn)行各種應(yīng)用開發(fā)。整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)過程是：U-Boot把μCLinux內(nèi)核從NORFLASH中加載到SRAM中，然后啟動(dòng)μCLinux，μCLinux初始化硬件及建立運(yùn)行環(huán)境后，自動(dòng)運(yùn)行預(yù)設(shè)的應(yīng)用程序。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)Fig.3 Software structure

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 LPC2294最小系統(tǒng)

LPC2294采用LQFP144封裝，最小系統(tǒng)需要模擬和數(shù)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(shè)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(nèi)部FLASH或外部NORFLASH啟動(dòng)。由CAT1025構(gòu)成手動(dòng)復(fù)位監(jiān)控電路，提高了系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)SW按鍵按下時(shí)，CAT1025的2引腳輸出持續(xù)為大于150 ms的低電平，LPC2294復(fù)位。在CAT1025的2引腳通過10 kΩ電阻上拉，防止產(chǎn)生錯(cuò)誤的引腳輸出狀態(tài)，復(fù)位電路如圖4所示。

圖4 復(fù)位電路圖Fig.4 Reset circuit diagram

2.2 SRAM和NORFLASH電路

為了運(yùn)行μCLinux操作系統(tǒng)，必須擴(kuò)展系統(tǒng)RAM與FLASH。LPC2294具有外部存儲(chǔ)器控制器（EMC），該部件可同時(shí)支持多達(dá)4個(gè)單獨(dú)配置的存儲(chǔ)器組。每個(gè)存儲(chǔ)器組都支持SRAM、ROM、Flash EPROM、Burst ROM 以及外部 I/O 設(shè)備[3]。主節(jié)點(diǎn)外部存儲(chǔ)器地址分配情況如表1。

表1 外部存儲(chǔ)器地址分配情況Tab.1 Address distribution of external memorizer

主節(jié)點(diǎn)采用的SRAM和NORFLASH分別是MT45W4MW16、SST39VF1601。MT45W4MW16是一個(gè) 16位、8 MB容量的PSRAM。SST39VF1601是一個(gè)16位的CMOS多功能Flash MPF器件，儲(chǔ)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(tǒng)和應(yīng)用程序，使用Jffs2文件系統(tǒng)格式。NANDFLASH采用三星公司的K9F2G08U0A，存儲(chǔ)容量為256 M。NANDFLASH的數(shù)據(jù)接口為8位串行接口，使用nCS2作為片選線，地址區(qū)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(shù)據(jù)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(zhǔn)備/忙等待）連接到P1.18，用于讀取當(dāng)前狀態(tài)，此引腳須上拉。其電路連接如圖7所示。

2.4 CAN接口電路

圖5 SRAM電路連接圖Fig.5 Connection diagram of SRAM circuit

圖6 NORFLASH電路連接圖Fig.6 Connection diagram of NORFLASH circuit

LPC2294內(nèi)部集成了4路CAN控制器，每個(gè)總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1 Mb/s，兼容CAN2.0B。LPC2294沒有集成CAN收發(fā)器，無法將TTL電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平信號(hào)。因此主節(jié)點(diǎn)采用了帶有隔離功能的CTM1050T作為CAN收發(fā)器。在CAN總線兩端須連接120 Ω的電阻，以匹配總線阻抗，提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性[4]。以下是1路CAN收發(fā)器的電路圖，其余3路連接方式與此一樣。

2.5 以太網(wǎng)電路

主節(jié)點(diǎn)采用RTL8019AS作為以太網(wǎng)控制器。RTL8019AS是一種全雙工即插即用的以太網(wǎng)控制器，已集成了RTL8019內(nèi)核和一個(gè)16 kB的SDRAM存儲(chǔ)器。它兼容RTL8019控制軟件和NE2000 8 bit或16 bit的傳輸。網(wǎng)絡(luò)接口采用帶網(wǎng)絡(luò)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20 M晶振[5]。

圖7 NANDFLASH電路連接圖Fig.7 Connection diagram of NANDFLASH circuit

圖8 CAN收發(fā)器電路圖Fig.8 Circuit of CAN transceiver

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 U-Boot移植

U-Boot（Universal Boot Loader）是遵循 GPL 條款的開放源碼項(xiàng)目。從FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步發(fā)展演化而來，支持多種嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核與微處理器系列。UBoot的啟動(dòng)過程：初始化目標(biāo)板硬件，給嵌入式操作系統(tǒng)提供板上硬件資源信息，加載、引導(dǎo)嵌入式操作系統(tǒng)。主節(jié)點(diǎn)使用U-Boot-2009-01，它不僅支持ARM-720T內(nèi)核，而且間接提供了對(duì)LPC2294的板級(jí)支持。U-Boot的移植過程：首先通過修改start.s文件設(shè)定系統(tǒng)主頻；然后針對(duì)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(chǔ)器控制器（EMC）、以太網(wǎng)控制器等的硬件連接信息；接下來修改串口驅(qū)動(dòng)代碼使之與系統(tǒng)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(yùn)行定制的Linux，只能使用μCLinux。主節(jié)點(diǎn)移植的μCLinux版本號(hào)為2.6.25。從該版本開始，μCLinux支持CAN總線驅(qū)動(dòng)。移植過程如下：

1）打Philips公司針對(duì)該芯片提供的官方補(bǔ)??；

2）修改NANDFLASH部分的驅(qū)動(dòng)程序；

3）配置 μCLinux內(nèi)核；

4）交叉編譯內(nèi)核。

所需源碼及補(bǔ)丁文件如表2所示。

表2 所需源碼及補(bǔ)丁文件Tab.2 Source and patch files required

移植需要修改的部分驅(qū)動(dòng)代碼：

1）修改 arch/arm/math-lpc22xx/head.s

因?yàn)棣藽Linux假設(shè)運(yùn)行前已由BootLoader完成基本硬件初始化工作，因此不再進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)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(chǔ)器控制器、系統(tǒng)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(yùn)行前必須由BootLoader將其內(nèi)核裝入內(nèi)存偏移量為0x80000000的地方，因此要保證在μCLinux源碼中的對(duì)應(yīng)設(shè)置與啟動(dòng)引導(dǎo)程序的初始化設(shè)置相同。

2）修改NANDFLASH驅(qū)動(dòng)代碼

μCLinux內(nèi)核從2.6.14開始更改了NANDFLASH的驅(qū)動(dòng)代碼，使驅(qū)動(dòng)更加智能化，不再需要寫讀寫函數(shù)，只需要實(shí)現(xiàn)讀寫時(shí)序函數(shù)。時(shí)序函數(shù)只關(guān)心如何來發(fā)送指令到NANDFLASH，例如寫指令周期需要對(duì)ALE線使能，那么μCLinux下的讀寫函數(shù)會(huì)給這個(gè)時(shí)序函數(shù)發(fā)送一段指令中包含使能ALE線的指令，然后將數(shù)據(jù)寫到數(shù)據(jù)總線上，CLE的實(shí)現(xiàn)與之相類似。

3.3 CAN控制器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

對(duì)于微處理器來說，CAN控制器完全是基于事件觸發(fā)的，即CAN控制器會(huì)在本身狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，會(huì)將狀態(tài)變化的結(jié)果告訴微處理器。所以微處理器處理CAN控制器時(shí)，可以采用中斷的方式，也可以采用輪詢查看CAN控制器狀態(tài)的方式來對(duì)CAN控制器做出相應(yīng)的處理[6]。在μCLinux下CAN驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)包括初始化函數(shù)、讀函數(shù)、寫函數(shù)、中斷服務(wù)函數(shù)等設(shè)計(jì)，使用文件指針注冊(cè)設(shè)備，用戶程序則通過對(duì)設(shè)備文件的操作來收發(fā)CAN總線數(shù)據(jù)。CAN驅(qū)動(dòng)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(shè)置管腳連接、軟件復(fù)位、設(shè)置CAN報(bào)警界限、設(shè)置總線波特率、設(shè)置中斷工作方式、設(shè)置CAN驗(yàn)收過濾器的工作方式以及啟動(dòng)等。

2）CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送 先將數(shù)據(jù)送到發(fā)送緩沖區(qū)，然后對(duì)發(fā)送寄存器賦值以啟動(dòng)發(fā)送。CAN控制器只負(fù)責(zé)發(fā)送，并不保證發(fā)送成功。因此要知道是否發(fā)送成功，須查詢TCS狀態(tài)位，或配合發(fā)送成功中斷來判斷。

3）CAN總線數(shù)據(jù)接收 CAN總線數(shù)據(jù)接收通過讀取狀態(tài)寄存器查詢當(dāng)前緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)將數(shù)據(jù)讀出并放到CAN接收環(huán)形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中，當(dāng)用戶程序需要數(shù)據(jù)時(shí)則從該緩存區(qū)中讀出。

4）CAN中斷處理 通過中斷獲知CAN控制器的當(dāng)前狀態(tài)，然后做出相應(yīng)的處理，包括接收中斷處理、發(fā)送中斷處理以及異常中斷處理。中斷處理由中斷服務(wù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 論

本文提出一種基于LPC2294微控制器，使用μCLinux作為操作系統(tǒng)的CAN主節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)方案。主節(jié)點(diǎn)通過擴(kuò)展SRAM、FLASH提高了系統(tǒng)的性能，采用帶隔離功能的CAN收發(fā)器增強(qiáng)了CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，外接以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控。基于μCLinux的軟件系統(tǒng)既提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、應(yīng)用軟件的開發(fā)效率，又使得眾多的Linux平臺(tái)軟件可容易地移植到主節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能。通過制作了樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了這一方案的有效性。

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