1．CAN总线介绍
CAN 即控制器局域网络,属于
工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计,CAN总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的,世界上一些著名的汽车制造厂商,如
BENZ(奔驰)、
BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准,并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。本文提出一种CAN 总线和以太网互连系统的设计方案，实现CAN 总线网和以太网的数据互连。
2．基于ARM内核的微处理器介绍
LPC2292/LPC2294 微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32 位arm7TDMIS CPU，带有256 KB 嵌入的高速Flash 存储器。128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 位代码能够在最高时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16 位Thumb 模式将代码规模减小30%以上，而性能的损失却很小。
由于LPC2292/LPC2294 的144 脚封装、极低的功耗、多个32 位定时器、8 通道10 位ADC、2/4 （LPC2292/LPC2294）高级CAN、PWM 通道以及多达9 个外部中断引脚，使它们特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线。LPC2292/LPC2294 含有76（使用了外部存储器）到112 个（单片）可用GPIO 口。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器以及许多其他的应用中。
3．系统设计
3．1网关介绍
用网关连接CAN 现场总线和以太网的网络架构图如下图 所示。
（1） 网关嵌入的益处
① 增大了系统的最大ＣＡＮ节点数
在不接中继器的条件下，一个CAN 子网内最多可以挂接110 个节点，而每个网关下可以连接一个子网，通过多个网关可以把多个子网联系在一起，从而增加了系统的节点数。
② 扩大了系统的组网范围
CAN 的直接通信距离大概只有10km 左右，系统按照现场区域和节点数构建子网，子网与子网通过以太网连接，从而突破了区域和距离的限制。
③ 实现了具有不同传输速度的现场总线子网的相互通信网关提供一个友好的人机接口，用户可以根据需要设置IP 地址和CAN 控制器的波特率。
（2） 网关嵌入的问题
网关的应用给系统带来方便的同时，也付出了一定的代价，在设计中必须考虑这些问题，以提高系统的整体效率。这些问题表现在：
①实时性
由于使用网关，对数据的处理必须经历先存储，再转换，最后再发送的过程，增加了一些存储转发延时。因此在设计中必须考虑系统的实时性，要求系统能在存储新接收到的数据后立即启动协议转换和数据转发任务，尽量减小系统延时。
② 安全性
若网关出现故障，会对CAN 子网和以太网间的通信产生影响，甚至会瘫痪这个子网与整个系统的通信。因此在硬件设计中，要尽量避免干扰等问题的出现；软件设计必须能对一些可纠正错误及时作出反应，并把错误信息返回给用户。
3．2 网关硬件设计
网关硬件设计分为CAN 接口、以太网网络接口和人机接口等3 个部分。
3．2．1 CAN 接口
考虑系统的安全性，CAN 接口部分采用冗余设计。当正常通道发生故障时自动调用冗余通道进行传输；如果冗余通道也发生故障，则进入故障处理。其硬件接口示意图如图2 所示。LPC2292 两路通道分别通过高速总线驱动器TJA1050 与总线相连。总线驱动器采用带隔离的DC/DC 单独供电，不仅实现了两路通道之间的电气隔离，也实现了网关与总线之间的电气隔离。
3．2．2 网络接口
网卡控制器采用台湾RETACK 公司的10M 以太网控制芯片RTL8019 ，支持全双工工作模式，软件兼容8 位或16 位的NE2000 模式；内部集成DMA 控制器、ISA 总线控制器以及16kRAM 、网络PHY 收发器等。RTL8019 使用LPC2292 外部存储控制的BANK3 部分，它的数据地址范围为0x83400000~0x8340001F 。RTL8019 的工作电压为+5V，而LPC2292 的引脚工作电压为3.3V ，所以还应在连接线上串联470 Ω 的保护电阻。网络采用双绞线传输。
3．2．3人机接口
除了上面的主要部分外，还有LED 数码管显示和键盘部分，LED 用来显示工作状态，键盘根据具体实际情况修正总线波特率和网关的IP 地址。
4．软件设计
4.1 μC/OS-II
网关设计对系统的实时性要求比较高，μC/OS-II 完全是占先式的实时内核，是基于优先级的，即总是让就绪态中优先级最高的任务先运行，因此实时性比非占先的内核要好。它的绝大部分代码是用C 语言编写的，可移植性强。
4.2 系统构成
嵌入式网关的功能主要是进行以太网数据报文和CAN 数据帧之间的协议转换，实现以太网和CAN 总线的互连；其次是根据应用环境，通过人机交互接口改变网关的IP 地址和CAN 总线的波特率。整个嵌入式系统的构成如图3 所示。在进行任务设计之前的前期工作有：
① 实时操作系统的移植。μC/OS-II 可以在绝大多数8 位、16 位、32 位、以至64 位微处理器、微控制器、数字信号处理器（DSP）上运行。
② TCP/IP 协议和CAN 协议的嵌入。由于μC/OS-II 操作系统只包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间的通信同步（信号量、邮箱、消息队列）和内存管理等功能，所以用户必须根据自己的需要添加一些功能模块。网关的设计将TCP/IP 和CAN 协议嵌入到操作系统中，并提供一些API 接口函数供用户调用。
4．3 系统实现
采用RTOS 使整个设计简单且易调试，各个任务相互独立，而且各个任务具有不同的优先级可以保证紧急任务及时响应，从而能有效地对任务进行调度。系统软件设计由操作系统和一系列用户应用程序构成。 主函数是程序首先执行的一个函数。该函数永远不返回，主要实现系统的硬件（包括中断、键盘、显示等）和操作系统（包括任务控制块、事件控制块）的初始化，而且在启动多任务调度之前，必须至少创建一个任务。在本系统中创建了一个启动任务，主要负责时钟的初始化和启动、中断的启动、CAN 控制器的初始化与启动、端口与IP 地址的初始化和RTL8019 的初始化与启动，并且对各个应用任务进行了划分。在交出CPU 的使用权之后自做一些空闲处理。
4．5 任务的划分
要完成多任务系统的各种功能必须对任务进行划分。本程序根据各个任务的重要性和实时性，把整个模块分成7 个具有不同优先级的应用任务：系统监控、CAN 数据发送、键盘扫描、以太网数据发送、协议转换、LED显示、系统配置等。下图所示为任务划分表。
除了7 个主要应用任务之外，还有两个中断服务子程序：一个时钟节拍中断，提供周期性信号源；另一个接收中断，把接收到的数据写入缓冲区。
任务的具体实现任务划分后，各任务具有独立的堆栈空间，彼此争夺CPU 的使用权。一旦获得CPU 的使用权，就会独立运行而完成特定的功能。
CAN 总线通信模块包括数据传输和总线管理两个部分。数据传输实现的功能有CAN 初始化、CAN 报文发送和CAN 报文接收。CAN 初始化及报文的接收在启动任务与中断服务程序中实现，CAN 报文发送和总线管理作为一个单独的任务独立运行。总线管理功能块实现的主要是总线检测，判断一路总线是否良好。如果不是，就进入另一路总线检测；如果冗余总线良好，就采用冗余总线通信。CAN 数据发送任务需要系统调度器通知是否有待发送数据进入发送队列。
以太网通信模块由以太网数据收发功能块和数据协议管理功能块构成。数据的收发功能块主要实现RTL8019 的初始化、数据报文的发送与接收。同理，RTL8019 的初始化在系统的启动任务中实现。数据的接收在RTL8019 的中断服务程序中实现。数据协议管理主要实现对接收数据报文的解析，以及给待发送数据添加协议报头。以太网数据发送与协议管理分别作为独立任务运行。
结束语
μC/OS-II 是一种优秀多任务实时操作系统，这在本文中得到了很好的体现。本文设计的CAN总线和以太网间的网关，在实际中运行良好。
