基于嵌入式网关的硬件设计

2020-01-16 17:26:51 嵌入式开发中心 152

   随着互联网的普及,实现智能家居远程控制不再是人们的梦想,所谓远程控制,是指管理人员在异地通过计算机网络异地拨号或双方都接入Internet等手段。

联通需被控制的计算机,将被控计算机的桌面环境显示到自己的计算机上,通过本地计算机对远方计算机进行配置、软件安装程序、修改等工作。远程唤醒(WOL),即通过局域网络实现远程开机。

CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称,是由研发和生产汽车电子产品着称的德国BOSCH公司开发了的,并最终成为国际标准(ISO118?8)。

是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧,CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线,并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。

近年来,其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视,被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

CAN与以太网采用的网络协议,为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。例如,网络中一个微机用户和一个大型主机的操作员进行通信,由于这两个数据终端所用字符集不同,因此操作员所输入的命令彼此不认识。

为了能进行通信,规定每个终端都要将各自字符集中的字符先变换为标准字符集的字符后,才进入网络传送,到达目的终端之后,再变换为该终端字符集的字符。

当然,对于不相容终端,除了需变换字符集字符外。其他特性,如显示格式、行长、行数、屏幕滚动方式等也需作相应的变换。

一、网关的硬件设计

系统硬件结构

该系统的硬件部分主要由ARM、以太网接口、CAN接口、高速存储器、JTAG口、复位电路和电源等组成,其系统硬件结构如图1所示。

ARM移植TCPIP通信协议和CAN协议,可完成以太网协议和CAN总线协议转换,实现以太网接口和CAN接口通信数据的透明传输。

以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由XeroxIntelDEC公司联合开发的基带局域网规范,是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。

以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测)技术,并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802·3系列标准相类似。

系统硬件结构.jpg

 

主控制器的选择

   微处理器选用PhiIips公司ARM7TDMI内核的32位微控制器LPC2294,与一般单片机相比,LPC2294可嵌入操作系统。

   LPC2294内嵌256 KB的高速FLASH存储器和16 KB的静态RAM,多个外部中断和串行口,LPC2294内部还集成了CAN控制器,只要加上CAN总线收发器就可以构成CAN节点,从而大大简化了硬件电路。

   微处理器用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器与传统的中央处理器相比,具有体积小,重量轻和容易模块化等优点。

   微处理器的基本组成部分有:寄存器堆、运算器、时序控制电路,以及数据和地址总线。微处理器能完成取指令、执行指令,以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作,是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。

   自从人类1947年发明晶体管以来,50多年间半导体技术经历了硅晶体管、集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电路等几代,发展速度之快是其他产业所没有的。

   半导体技术对整个社会产生了广泛的影响,因此被称为“产业的种子”。中央处理器是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件,伴随着大规模集成电路技术的迅速发展,芯片集成密度越来越高,CPU可以集成在一个半导体芯片上。

系统电源电路和复位电路

   在该设计中,需要使用5 V3.3 V1.8 V的直流稳压电源。其中,5 V电源由LM317L三端可调稳压器产生;3.3 Vl_8 V电源由可调节输出电压的SPXlll7产生。

   系统复位电路的可靠性对整个系统的稳定起着非常重要的作用。在复位电路中采用了电压监控芯片TPS383K33,它是10 ms200ms可选的上电复位发生器,具有防按键抖动的手动复位输入功能,允许组成多个IC的菊花链电压监控等。

   复位电路如下图所示,nRST连接到LPC2294的复位脚RESETnTRST接以太网控制器ENC28J60的复位引脚。

系统复位电路.jpg 

CAN总线接口

   CAN总线接口由LPC2294CAN总线收发器等构成。这里采用带隔离的高速cAN收发器CTMl050T,其主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平,并且具有(DC2500V)隔离功能、ESD保护功能及TVS管防总线过压功能,其内带隔离器,可减少外部相关电路的设计。

   CAN总线接口电路如下图所示。CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANHCANL与物理总线相连,而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。

   这就保证不会在出现在RS-485网络中的现象,即当系统有错误,出现多节点同时向总线发送数据时,导致总线呈现短路,从而损坏某些节点的现象。

而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响,从而保证不会出现象在网络中,因个别节点出现问题,使得总线处于“死锁”状态。

而且,CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期,这些是仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。

can总线电路接口.jpg

以太网接口

   在系统设计中,采用ENC28J60作为网络接口芯片。ENC28J60是美国微芯科技公司推出的28引脚独立以太网控制器,内置以太网物理层器件(PHY)及介质访问控制器(MAC),可按以太网协议可靠地收发信息包数据。

   另外,它还具有可编程8 KB双端口SRAM缓冲器,数据传输速率高达10 MbsENC28J60具有多种集成功能,如CRC校验、可编程过滤、可自动评价、接收或拒收多种信息包、数据滤波等功能,能高效率地进行信息包的存储、检索和修改,可减轻主控微处理器的内存负荷。

   ENC28J60采用标准的SPI串行接口,只需4条连线即可实现与微处理器相连,而且它只有28个引脚,可以大大简化相关设计,减小空间。

   网络插座采用RJ45插座HR911102A,其内置网络变压器、状态显示灯和电阻网络,具有信号耦合电气隔离、阻抗匹配、抑制干扰等特点,可提高系统抗干扰能力和收发的稳定性。

   以太网接口电路如下图所示,ENC28J602个中断引脚INTWOL分别接LPC2294EINTlEINT2ENC28J60SPISOSISCKCS分别接LPC2294的脚MISO1MISllSCKlCSl2个专用的引脚(LEDALEDB)用于连接HR911102ALEDGLEDY,进行网络活动状态指示。

以太网接口.jpg


外扩存储器接口

   由于LPC2294内部只有16 KBRAM,不能满足以太网数据存储的空间要求,该设计扩展了256 KB的外部存储器,选用RAMTRON公司的存储器芯片FM25256

   FM25256是采用先进的铁电技术制造的非易失性存储器,具有比其他非易失性存储器高得多的读写操作次数,可以承受超过一万亿次的读写操作。存储器接口电路如下图所示。

存储器接口电路.jpg

FM25256SPISOSISCKCS分别与LPC2294MISOOMISl0SCK0CS2脚相连。写保护引脚WPLPC2294P2.21相连。FM25256主要用来存储以太网数据。






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