通信工程:LPC2294的CAN總線主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[1]

相信很多通信工程師都對(duì)CAN總線技術(shù)有過(guò)一定的了解。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。提出了基于LPC2294的CAN總線主節(jié)點(diǎn)的硬件及軟件設(shè)計(jì)方案。硬件采用基于ARM7內(nèi)核的微控制 器LPC2294,使用CTM1050T作為CAN收發(fā)器，設(shè)計(jì)了帶有CAN總線以及以太網(wǎng)接口的硬件電路，并進(jìn)行了SRAM、NORFLASH與NAND Flash的擴(kuò)展。軟件采用μCLinux作為操作系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)了CAN控制器的驅(qū)動(dòng) 程序，實(shí)現(xiàn)了CAN總線的各種功能。通過(guò)制作樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了這一方案的有效性。

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是國(guó)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(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。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)。

1 總體設(shè)計(jì)

主節(jié)點(diǎn)采用ARM7內(nèi)核的LPC2294微控制器，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μCLi nux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)與從節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信，主節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)之間則通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，如圖1所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

主節(jié)點(diǎn)主要功能包括：1）通過(guò)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(guò)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)

主節(jié)點(diǎn)采用的LPC2294基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位處理器，帶有256kB高速FLASH、16kB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CTMl050T.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（DC2500V）、ESD保護(hù)功能及TVS管防總線 過(guò)壓功能。LPC2294具有外部存儲(chǔ)器控制器（EMC），通過(guò)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、 K9F2G08UOA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(méi)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(kāi)發(fā)框架。驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)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(guò)使用CAN接口函數(shù)、Socket接口 以及庫(kù)函數(shù)進(jìn)行各種應(yīng)用開(kāi)發(fā)。整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)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)

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3.3V電源以及核心電源1.8V.為了便于串口波特率的設(shè)置，外部接11.0592MHz晶振。P2.26（BOOT0）通過(guò)10kΩ電阻上拉，P2.27（BOOT1）接一跳線座，通 過(guò)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150ms的低 電平，LPC2294復(fù)位。在CAT1025的2引腳通過(guò)10kΩ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

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。主節(jié)點(diǎn)外部存儲(chǔ)器地址分配情況如表1.

表1 主節(jié)點(diǎn)外部存儲(chǔ)器地址分配情況

主節(jié)點(diǎn)采用的SRAM和NORFLASH分別是MT45W4MW16、SST39VF1601.MT45W4MW16是一個(gè)16位、8MB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2MB.其電路連接如圖5、圖 6所示。

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