儒卓力在上海和深圳举办物联网先进解决方案研讨会
06-06
本文从以太网与工业现场总线的互联出发，主要介绍CAN总线和以太网嵌入式网关电路的设计与实现。
本文比较了两种连接CAN和以太网的嵌入式网关的设计方法，从硬件结构和软件结构两个方面进行了阐述。
目前连接CAN、以太网的嵌入式网关设计方法主要有两种：一是低端MCU加接口芯片的设计方法，二是高端MCU加EOS的设计方法（实时多任务操作系统）。
添加接口芯片的设计方法。
由于CAN仅使用ISO/OSI参考模型的第一层和第二层，因此协议相对简单，更适合成本低、速度要求不高的离散控制系统。
考虑到合理成本和有效利用处理能力两个方面，设计采用低端MCU加接口芯片的方法。
硬件框图如图所示。
主控芯片及以太网接口模块 根据要求，系统选用了性能价格比较高的AT89C55单片机。
它面向测控对象和嵌入式应用，因此其体系结构、CPU、指令系统和外围单元电路都是根据这一要求专门设计的。
它具有高达 20 KB 的内部 FLASH 程序存储器。
AT89C55与指令集完全兼容。
片内FLASH方便用户进行在线编程。
工作速度最高可达33 MHz。
B的内部RAM和32个可编程I/O端口。
3个16位定时器/计数器，8个中断源，支持低功耗空闲工作模式。
以太网接口采用RTLAS芯片，它是一款高度集成的以太网控制器，可以实现以太网媒体访问层（MAC）和物理层（PHY）的所有功能。
RTLAS 内部有两个 RAM 区域：一个为 16 KB，地址为 0x~0x7fff。
为了接收和发送数据包，必须通过 DMA 读写 RTLAS 内部的 16 KB RAM。
它实际上是一个双口RAM，即有两条总线与其连接，一条总线用于RTLAS读/写或写/读RAM，即本地DMA；另一条总线用于单片机读写RAM，即远程DMA；第二个是32字节，地址为0x~0xF，用于存储以太网物理地址。
主控芯片与以太网接口芯片的硬件接口原理图如图2所示。
值得注意的是，由于以太网数据包最大可以超过1字节，而AT89C55的片上RAM只有1字节，所以它无法存储这么大的数据包，因此这里扩展了32 KB的外部RAM，这样也可以提高单片机的数据传输速度。
CAN接口模块 组成CAN系统的主要部件是CAN控制器和收发器。
本设计中CAN接口模块采用SJA芯片和PCA82C芯片。
SJA是一个独立的CAN控制器。
它是飞利浦公司另一款CAN控制器PCA82C的替代品，并增加了新的工作模式（Peli CAN），支持CAN 2.0B协议。
SJA主要完成CAN通信协议，实现报文的组装和拆分、接收信息的过滤和验证等。
PCA82C是CAN控制器与物理总线之间的接口，主要用于增强系统的驱动能力。
在使用收发器的系统中，节点数量至少可以达到2个，并且还具有降低射频干扰（RFI）的能力，并具有较强的抗电磁干扰（EMI）能力。
特别注意： (1)晶振电路问题。
89C55和SJA都应该有独立的晶振电路，并且SJA的时钟输出信号CLKOUT不能用来驱动单片机。
(2) 复位引脚有问题。
SJA的复位虽然是低电平，但不能通过非门直接连接到单片机的复位引脚。
一般来说，解决复位引脚问题有两种方法：第一种是利用单片机的I/O引脚来控制SJA的复位引脚。
优点是单片机可以完全控制SJA的复位过程；二是采用适当的方式对芯片进行复位，为了降低成本，本设计采用第一种方法。
(3) RX1引脚电位必须保持在0.5VCC左右，否则无法形成CAN协议所需的逻辑电平。
（4）一定要注意电缆的终端阻抗匹配，它直接影响CAN总线能否正常工作以及网络性能。
CAN接口模块的硬件电路图如图3所示。
PCA82C的RS引脚连接有斜率电阻R。
该电阻的大小可以根据总线通信速度适当调整。
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