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1 總體設計 主節點(diǎn)采用ARM7內核的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、性能穩定、移植性好的μCLi nux作為操作系統�；贑AN總線(xiàn)的運動(dòng)控制系統，主要由1個(gè)主節點(diǎn)（主控制器節點(diǎn)）、若干個(gè)從節點(diǎn)（電機控制節點(diǎn)）以及1臺計算機構成，主節點(diǎn)與從節點(diǎn)之間通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信，主節點(diǎn)與計算機之間則通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，如圖1所示。 
圖1 運動(dòng)系統控制結構 主節點(diǎn)主要功能包括：1）通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送電機控制信息給從節點(diǎn)，并接收各從節點(diǎn)的反饋信息：2）通過(guò)以太網(wǎng)與計算機監控端進(jìn)行通信，以實(shí)現遠程監控。1.1 整體硬件設計 主節點(diǎn)整體硬件結構如圖2所示。
圖2 硬件結構 主節點(diǎn)采用的LPC2294基于A(yíng)RM7TDMI內核的32位處理器，帶有256kB高速FLASH、16kB靜態(tài)RAM，內部集成4路CAN控制器，支持SRAM、FALSH擴展。由于LPC2294內部集成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換為CAN總線(xiàn)的差分電平，并具有隔離功能（DC2500 V）、ESD保護功能及TVS管防總線(xiàn)過(guò)壓功能。 LPC2294具有外部存儲器控制器（EMC），通過(guò)該部件可以擴展更多的FLASH和SRAM以及以太網(wǎng)、USB等外設。主節點(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的擴展。 1.2 軟件結構 主節點(diǎn)軟件結構如圖3所示，U-Boot作為BootLoader（啟動(dòng)引導程序），負責初始化目標板硬件與引導操作系統。這里采用μCLinux作為嵌入式操作系統。μCLinux（microcontrol linux）即“微控制器領(lǐng)域中的Linux系統”，主要是針對目標處理器沒(méi)有存儲管理單元（MMU）的嵌入式系統而設計的。它保留了Linux的大多數優(yōu)點(diǎn)：穩定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò )功能、對各種文件系統完備的支持和標準豐富的API.同時(shí)μCLinux包含大量的設備驅動(dòng)程序，以及提供良好的驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)框架。驅動(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。上層應用程序通過(guò)使用CAN接口函數、Socket接口以及庫函數進(jìn)行各種應用開(kāi)發(fā)。整個(gè)系統的啟動(dòng)過(guò)程是：U-Boot把μCLinux內核從NORFLASH中加載到SRAM中，然后啟動(dòng)μCLinux，μCLinux初始化硬件及建立運行環(huán)境后，自動(dòng)運行預設的應用程序。
圖3 軟件結構 2 硬件設計2.1 LPC2294最小系統 LPC2294采用LQFP144封裝，最小系統需要模擬和數字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置，外部接11.0 592 MHz晶振。P2.26（BOOT0）通過(guò)10 kΩ電阻上拉，P2.27（BOOT1）接一跳線(xiàn)座，通過(guò)跳線(xiàn)讓P2.27可選擇接高電平或低電平以選擇從內部FLASH或外部NORFLASH啟動(dòng)。由CAT1025構成手動(dòng)復位監控電路，提高了系統的可靠性。當SW按鍵按下時(shí)，CAT1025的2引腳輸出持續為大于150 ms的低電平，LPC2294復位。在CAT1025的2引腳通過(guò)10 kΩ電阻上拉，防止產(chǎn)生錯誤的引腳輸出狀態(tài)，復位電路如圖4所示。
圖4 復位電路圖 2.2 SRAM和NORFLASH電路為了運行μCLinux操作系統，必須擴展系統RAM與FLASH.LPC2294具有外部存儲器控制器（EMC），該部件可同時(shí)支持多達4個(gè)單獨配置的存儲器組。每個(gè)存儲器組都支持SRAM、ROM、Flash EPROM、Burst ROM以及外部I/O設備。主節點(diǎn)外部存儲器地址分配情況如表1. 表1 主節點(diǎn)外部存儲器地址分配情況
圖5 SRAM電路連接圖
圖6 NORFLASH電路連接圖 2.3 NANDFLASH電路NANDFLASH用作存放μCLinux的根文件系統和應用程序，使用Jff2文件系統格式。NANDFLASH采用三星公司的K9F2G08UOA，存儲容量為256 M.NANDFLASH的數據接口為8位串行接口，使用nCS2作為片選線(xiàn)，地址區間使用0x8200 0000-0x82FF FFFF，CLE（指令使能）和ALE（地址使能）分別連接到地址總線(xiàn)A2和A3，因此NANDFLASH的數據寫(xiě)入地址為0x82000000，命令寫(xiě)入地址為0x82000004，地址寫(xiě)入地址為0x82000008.R/B（準備/忙等待）連接到P1.18，用于讀取當前狀態(tài)，此引腳須上拉。其電路連接如圖7所示。
圖7 NANDFLASH電路連接圖 2.4 CAN接口電路LPC2294內部集成了4路CAN控制器。每個(gè)總線(xiàn)上的數據傳輸速率高達1 Mb/s，兼容CAN2.0B.LPC2294沒(méi)有集成CAN收發(fā)器，無(wú)法將TTL電平轉換為CAN總線(xiàn)的差分電平信號。因此主節點(diǎn)采用了帶有隔離功能的CTM1050T作為CAN收發(fā)器。在CAN總線(xiàn)兩端須連接120Ω的電阻，以匹配總線(xiàn)阻抗，提高數據通信的抗干擾性及可靠性。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。
圖8 CAN收發(fā)器電路圖 2.5 以太網(wǎng)電路主節點(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內核和一個(gè)16 kB的SDR AM存儲器。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(xiàn)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20M晶振。 3 軟件設計 3.1 U-Boot移植 U-Boot（Universal Boot Loader）是遵循GPL條款的開(kāi)放源碼項目。從FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步發(fā)展演化而來(lái)，支持多種嵌入式操作系統內核與微處理器系列。U-Boot的啟動(dòng)過(guò)程：初始化目標板硬件。給嵌入式操作系統提供板上硬件資源信息，加載、引導嵌入式操作系統。主節點(diǎn)使用U-Boot-2009-01，它不僅支持ARM-720T內核，而且間接提供了對LPC2294的板級支持。U-Boot的移植過(guò)程：首先通過(guò)修改star t.s文件設定系統主頻：然后針對U-Boot所支持的LPC2292硬件資源配置信息作必要的修改，如外部存儲器控制器（EMC）、以太網(wǎng)控制器等的硬件連接信息；接下來(lái)修改串口驅動(dòng)代碼使之與系統主頻匹配；最后通過(guò)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(méi)有MMU單元，不能運行定制的Linux，只能使用μCLinux.主節點(diǎn)移植的μCLinux版本號為2.6.25.從該版本開(kāi)始，μCLinux支持CAN總線(xiàn)驅動(dòng)。移植過(guò)程如下： 1）打Philips公司針對該芯片提供的官方補��； 2）修改NANDFLASH部分的驅動(dòng)程序； 3）配置μCLinux內核； 4）交叉編譯內核。 所需源碼及補丁文件如表2所示。 表2 所需源碼及補丁文件
1）修改arch/arm/math-lpc22xx/head.s因為μCLinux假設運行前已由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器控制器、系統分頻器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運行前必須由BootLoader將其內核裝入內存偏移量為0x80000000的地方，因此要保證在μCLinux源碼中的對應設置與啟動(dòng)引導程序的初始化設置相同。 2）修改NANDFLASH驅動(dòng)代碼 μCLinux內核從2.6.14開(kāi)始更改了NANDFLASH的驅動(dòng)代碼，使驅動(dòng)更加智能化，不再需要寫(xiě)讀寫(xiě)函數，只需要實(shí)現讀寫(xiě)時(shí)序函數。時(shí)序函數只關(guān)心如何來(lái)發(fā)送指令到NANDFLASH，例如寫(xiě)指令周期需要對ALE線(xiàn)使能，那么μCLinux下的讀寫(xiě)函數會(huì )給這個(gè)時(shí)序函數發(fā)送一段指令中包含使能ALE線(xiàn)的指令，然后將數據寫(xiě)到數據總線(xiàn)上，CLE的實(shí)現與之相類(lèi)似。 3.3 CAN控制器驅動(dòng)設計 對于微處理器來(lái)說(shuō)，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(xún)查看CAN控制器狀態(tài)的方式來(lái)對CAN控制器做出相應的處理。在μCLinux下CAN驅動(dòng)程序設計包括初始化函數、讀函數、寫(xiě)函數、中斷服務(wù)函數等設計，使用文件指針注冊設備，用戶(hù)程序則通過(guò)對設備文件的操作來(lái)收發(fā)CAN總線(xiàn)數據。CAN驅動(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、設置管腳連接、軟件復位、設置CAN報警界限、設置總線(xiàn)波特率、設置中斷工作方式、設置CAN驗收過(guò)濾器的工作方式以及啟動(dòng)等。 2）CAN總線(xiàn)數據發(fā)送先將數據送到發(fā)送緩沖區，然后對發(fā)送寄存器賦值以啟動(dòng)發(fā)送。CAN控制器只負責發(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(xún)TCS狀態(tài)位，或配合發(fā)送成功中斷來(lái)判斷。 3）CAN總線(xiàn)數據接收CAN總線(xiàn)數據接收通過(guò)讀取狀態(tài)寄存器查詢(xún)當前緩沖區中是否有數據，當有數據時(shí)將數據讀出并放到CAN接收環(huán)形數據存儲區中，當用戶(hù)程序需要數據時(shí)則從該緩存區中讀出。 4）CAN中斷處理 通過(guò)中斷獲知CAN控制器的當前狀態(tài)，然后做出相應的處理，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)函數實(shí)現。 4 結論 本文提出一種基于LPC2294微控制器，使用μCLinux作為操作系統的CAN主節點(diǎn)軟硬件設計方案。主節點(diǎn)通過(guò)擴展SRAM、FLASH提高了系統的性能，采用帶隔離功能的CAN收發(fā)器增強了CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的抗干擾能力，外接以太網(wǎng)控制器實(shí)現了計算機遠程監控�；讦藽Linux的軟件系統既提高了系統的穩定性、應用軟件的開(kāi)發(fā)效率，又使得眾多的Linux平臺軟件可容易地移植到主節點(diǎn)，增強系統的功能。通過(guò)制作了樣機并進(jìn)行實(shí)驗，驗證了這一方案的有效性。 來(lái)源：電子工程網(wǎng) |
