一种基于ARM的嵌入式网关系统设计与实现

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                    　　引 言
　　CAN(Controller Area Network)为控制器局域网络，CAN总线规范已经被国际标准化组织制订为国际标准ISO11898，并得到众多半导体器件厂商的支持，推出各种集成有CAN协议的产品。CAN属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术和独特的设计，低成本、高可靠性、实时性、灵活性、抗干扰能力强等特点，已被广泛应用于各个自动化控制系统中。在汽车电子、自动控制、电力系统等领域，CAN总线具有无可比拟的优越性。
　　以太网以其通信数据量大、传输速度快、开放性好、成本低等优点，弥补了现场总线通信速率低的缺陷，成为现阶段信息网络应用最广的局域网技术。用以太网直接进入工业控制领域，目前还存在一些问题，以太网的媒体访问方式CSDA／CD不能保证网络传输的确定性和实时性，不能满足工业现场恶劣环境的要求。将以太网引入工业测控领域，通过与现场总线(CAN BUS)分工合作，构成两种异构网络结构，将高效的以太网和低速的现场总线相结合，解决大规模测控系统实时性和可靠性矛盾，提高整个系统的工作效率。两种异构网络的互连，需要用嵌入式网关实现。
　　CAN／Ethernet网关设计的主要任务是协议转换，要求数据解析正确完整，同时响应迅速、耗时低、实时性和安全性好。基于RISC架构的ARM微处理器指令执行效率高，软件操作平台易于建设，同时具备丰富的外围扩展电路，能满足实时多任务要求。使用ARM技术构造以太网与CAN现场总线协议转换网关是一种高效可行的方案。
　　1 网关硬件系统组成
　　网关的主要功能是进行以太网数据报文与CAN数据帧之间的协议转换，实现以太网与CAN总线的互联。系统的硬件组成包括CAN总线接口设计和以太网接口设计，如图1所示。






　　MCP2510内含3个发送缓冲器和2个接收缓冲器，同时还具有灵活的中断管理能力。CAN协议机负责与CAN总线的接口，SPI接口逻辑用于实现同MCU的通信，而寄存、缓冲器组与控制逻辑则用来完成各种方式的设定和操作控制。
　　在Linux多任务操作系统中，CAN总线通信程序的设计可分为发送数据模块、接收等待模块和中断处理模块实现。系统中CAN总线的数据发送和接收是两个不同的线程。在驱动程序中建立数据发送和接收缓冲区。中断处理程序只负责填充(或读取)缓冲区中的数据，然后唤醒等待接收(或发送)数据的任务。数据的发送与接收都通过独立的缓冲区，并由中断来实现。操作系统的中断响应时间在软件上决定了CAN总线数据的最快收发速度。
　　3．2 CAN设备驱动程序的实现要点
　　3．2．1 CAN设备驱动操作函数
　　CAN设备驱动程序最终提供给应用程序的是一个流控制接口，主要包括：open，realse，read，write，ioctl等操作。添加设备驱动程序，实际上就是给上述操作编写相应的程序代码。驱动程序加载到内核时，会首先运行驱动程序的初始化函数，然后等待系统调用在file_operations数据结构中定义的相关函数，实现对设备的操作。系统使用Linux 2．4．18版本，其文件系统接口被写义为：






　　在Linux系统中，初始化函数从s3c2410_mcp2510_init()开始。通过调用register_chrdev向系统注册字符型设备驱动程序；通过devfs_register()函数创建设备文件系统的CAN设备节点。同时，CAN设备驱动程序通过调用request_irq函数来申请中断，向系统注册CAN设备的CAN中断处理函数s3c2410_isr_mcp2510()。在实现了MCP2510的各个接口函数后，还需要编写MCP2510的模块加载函数module_init()和模块卸载函数module_exit()，用于向内核注册设备及注销设备。
　　3．2．3 驱动程序的加载与使用
　　Linux设备驱动会以内核模块的形式出现。Eth-ernet／CAN网关设备驱动程序作为内核的一部分，应在编译时把设备驱动程序编译成可加载的模块。当使用insmod命令加载内核模块时，模块的加载函数mod-ule_init(初始化函数名)会自动被内核执行，将初始化函数加入内核全局初始化函数列表中，在内核初始化时执行驱动的初始化函数，从而完成驱动的初始化和注册，之后驱动便停止等待，被应用程序调用。当用rm-mod命令卸载某内核模块时，模块的卸载函数module_exit(退出处理函数名)也会自动被内核执行，完成与模块加载函数相反的功能。当驱动程序加载到内核中后，就可将CAN设备文件进行open，read，write，release等操作。
　　4 结语
　　随着工业控制系统性能的提高，以太网在工业上的应用也会越来越广泛。在此详细介绍了一种嵌入式网关的设计与实现。作为连接以太网和现场总线的纽带，实现以太网与CAN现场总线之间的协议转换，为CAN／Ethernet的互联提供了一种传输速度快、成本低，稳定性和安全性高的解决方案。同时，利用嵌入式ARM处理器，接口资源丰富，设计通用性强，便于扩展其他现场总线与以太网的互联，具有较好的应用推广价值。