網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

1.1

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的硬件部分主要由ARM、以太網(wǎng)接口、CAN接口、高速存儲(chǔ)器、JTAG口、復(fù)位電路和電源等組成，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ARM移植TCP／IP通信協(xié)議和CAN協(xié)議，可完成以太網(wǎng)協(xié)議和CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口和CAN接口通信數(shù)據(jù)的透明傳輸。

以太網(wǎng)（Ethernet）指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測(cè)）技術(shù)，并以10M/S的速率運(yùn)行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802·3系列標(biāo)準(zhǔn)相類似。

1.2

主控制器的選擇

微處理器選用PhiIips公司ARM7TDMI內(nèi)核的32位微控制器LPC2294，與一般單片機(jī)相比，LPC2294可嵌入操作系統(tǒng)。

LPC2294內(nèi)嵌256 KB的高速FLASH存儲(chǔ)器和16 KB的靜態(tài)RAM，多個(gè)外部中斷和串行口，LPC2294內(nèi)部還集成了CAN控制器，只要加上CAN總線收發(fā)器就可以構(gòu)成CAN節(jié)點(diǎn)，從而大大簡化了硬件電路。

微處理器用一片或少數(shù)幾片大規(guī)模集成電路組成的中央處理器。這些電路執(zhí)行控制部件和算術(shù)邏輯部件的功能。微處理器與傳統(tǒng)的中央處理器相比，具有體積小，重量輕和容易模塊化等優(yōu)點(diǎn)。

微處理器的基本組成部分有：寄存器堆、運(yùn)算器、時(shí)序控制電路，以及數(shù)據(jù)和地址總線。微處理器能完成取指令、執(zhí)行指令，以及與外界存儲(chǔ)器和邏輯部件交換信息等操作，是微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算控制部分。它可與存儲(chǔ)器和外圍電路芯片組成微型計(jì)算機(jī)。

自從人類1947年發(fā)明晶體管以來，50多年間半導(dǎo)體技術(shù)經(jīng)歷了硅晶體管、集成電路、超大規(guī)模集成電路、甚大規(guī)模集成電路等幾代，發(fā)展速度之快是其他產(chǎn)業(yè)所沒有的。

半導(dǎo)體技術(shù)對(duì)整個(gè)社會(huì)產(chǎn)生了廣泛的影響，因此被稱為“產(chǎn)業(yè)的種子”。中央處理器是指計(jì)算機(jī)內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對(duì)處理過程進(jìn)行控制的部件，伴隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，芯片集成密度越來越高，CPU可以集成在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上。

1.3

系統(tǒng)電源電路和復(fù)位電路

在該設(shè)計(jì)中，需要使用5 V，3.3 V和1.8 V的直流穩(wěn)壓電源。其中，5 V電源由LM317L三端可調(diào)穩(wěn)壓器產(chǎn)生；3.3 V和l_8 V電源由可調(diào)節(jié)輸出電壓的SPXlll7產(chǎn)生。

系統(tǒng)復(fù)位電路的可靠性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定起著非常重要的作用。在復(fù)位電路中采用了電壓監(jiān)控芯片TPS383K33，它是10 ms或200。ms可選的上電復(fù)位發(fā)生器，具有防按鍵抖動(dòng)的手動(dòng)復(fù)位輸入功能，允許組成多個(gè)IC的菊花鏈電壓監(jiān)控等。

復(fù)位電路如圖2所示，圖2中，nRST連接到LPC2294的復(fù)位腳RESET；nTRST接以太網(wǎng)控制器ENC28J60的復(fù)位引腳。

1.4

CAN總線接口

CAN總線接口由LPC2294和CAN總線收發(fā)器等構(gòu)成。這里采用帶隔離的高速cAN收發(fā)器CTMl050T，其主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，并且具有（DC2500V）隔離功能、ESD保護(hù)功能及TVS管防總線過壓功能，其內(nèi)帶隔離器，可減少外部相關(guān)電路的設(shè)計(jì)。

CAN總線接口電路如圖3所示。CAN總線通過CAN收發(fā)器接口芯片82C250的兩個(gè)輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。

這就保證不會(huì)在出現(xiàn)在RS-485網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)象，即當(dāng)系統(tǒng)有錯(cuò)誤，出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。

而且CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響，從而保證不會(huì)出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。

而且，CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實(shí)現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的。

1.5

以太網(wǎng)接口

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用ENC28J60作為網(wǎng)絡(luò)接口芯片。ENC28J60是美國微芯科技公司推出的28引腳獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，內(nèi)置以太網(wǎng)物理層器件（PHY）及介質(zhì)訪問控制器（MAC），可按以太網(wǎng)協(xié)議可靠地收發(fā)信息包數(shù)據(jù)。

另外，它還具有可編程8 KB雙端口SRAM緩沖器，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 Mb／s。ENC28J60具有多種集成功能，如CRC校驗(yàn)、可編程過濾、可自動(dòng)評(píng)價(jià)、接收或拒收多種信息包、數(shù)據(jù)濾波等功能，能高效率地進(jìn)行信息包的存儲(chǔ)、檢索和修改，可減輕主控微處理器的內(nèi)存負(fù)荷。

ENC28J60采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，只需4條連線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器相連，而且它只有28個(gè)引腳，可以大大簡化相關(guān)設(shè)計(jì)，減小空間。

網(wǎng)絡(luò)插座采用RJ45插座HR911102A，其內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)變壓器、狀態(tài)顯示燈和電阻網(wǎng)絡(luò)，具有信號(hào)耦合電氣隔離、阻抗匹配、抑制干擾等特點(diǎn)，可提高系統(tǒng)抗干擾能力和收發(fā)的穩(wěn)定性。

以太網(wǎng)接口電路如圖4所示，圖4中ENC28J60的2個(gè)中斷引腳INT和WOL分別接LPC2294的EINTl，EINT2；ENC28J60的SPI腳SO，SI，SCK，CS分別接LPC2294的腳MISO1，MISll，SCKl，CSl，2個(gè)專用的引腳（LEDA，LEDB）用于連接HR911102A的LEDG，LEDY，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀態(tài)指示。

1.6

外擴(kuò)存儲(chǔ)器接口

由于LPC2294內(nèi)部只有16 KB的RAM，不能滿足以太網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的空間要求，該設(shè)計(jì)擴(kuò)展了256 KB的外部存儲(chǔ)器，選用RAMTRON公司的存儲(chǔ)器芯片F(xiàn)M25256。

FM25256是采用先進(jìn)的鐵電技術(shù)制造的非易失性存儲(chǔ)器，具有比其他非易失性存儲(chǔ)器高得多的讀寫操作次數(shù)，可以承受超過一萬億次的讀寫操作。存儲(chǔ)器接口電路如圖5所示。

圖5中FM25256的SPI腳SO，SI，SCK，CS分別與LPC2294的MISOO，MISl0，SCK0，CS2腳相連。寫保護(hù)引腳WP與LPC2294的P2.21相連。FM25256主要用來存儲(chǔ)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。