主節(jié)點采用ARM7內核的LPC2294微控制器，使用RTL8019AS作為以太網控制器，軟件上采用具有網絡功能強、性能穩(wěn)定,、移植性好的μCLi nux作為操作系統(tǒng)?；?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/CAN總線" title="CAN總線" target="_blank">CAN總線的運動控制系統(tǒng),，主要由1個主節(jié)點（主控制器節(jié)點）、若干個從節(jié)點（電機控制節(jié)點）以及1臺計算機構成,，主節(jié)點與從節(jié)點之間通過CAN總線進行通信,，主節(jié)點與計算機之間則通過以太網進行通信，如圖1所示,。

圖1 運動系統(tǒng)控制結構

　　主節(jié)點主要功能包括：1）通過CAN總線發(fā)送電機控制信息給從節(jié)點，并接收各從節(jié)點的反饋信息：2）通過以太網與計算機監(jiān)控端進行通信,，以實現(xiàn)遠程監(jiān)控,。

　　1.1 整體硬件設計

　　主節(jié)點整體硬件結構如圖2所示。

圖2 硬件結構

　　主節(jié)點采用的LPC2294基于ARM7TDMI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管防總線過壓功能,。 LPC2294具有外部存儲器控制器（EMC），通過該部件可以擴展更多的FLASH和SRAM以及以太網,、USB等外設,。主節(jié)點采用RTL8019AS作為以太網控制器，分別使用MT45W4MW16,、SST39VF1601,、K9F2G08UOA進行SRAM、NORFLASH,、NANDFLASH的擴展,。

　　1.2 軟件結構

　　主節(jié)點軟件結構如圖3所示，U-Boot作為BootLoader（啟動引導程序）,，負責初始化目標板硬件與引導操作系統(tǒng),。這里采用μCLinux作為嵌入式操作系統(tǒng)。μCLinux（microcontrol linux）即“微控制器領域中的Linux系統(tǒng)”,，主要是針對目標處理器沒有存儲管理單元（MMU）的嵌入式系統(tǒng)而設計的,。它保留了Linux的大多數(shù)優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性,、優(yōu)秀的網絡功能,、對各種文件系統(tǒng)完備的支持和標準豐富的API.同時μCLinux包含大量的設備驅動程序，以及提供良好的驅動程序開發(fā)框架,。驅動程序開發(fā)或配置主要包括CAN,、以太網以及NANDFLASH3大部分。上層應用程序通過使用CAN接口函數(shù),、Socket接口以及庫函數(shù)進行各種應用開發(fā),。整個系統(tǒng)的啟動過程是：U-Boot把μCLinux內核從NORFLASH中加載到SRAM中，然后啟動μCLinux,，μCLinux初始化硬件及建立運行環(huán)境后,，自動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(tǒng)

　　LPC2294采用LQFP144封裝,，最小系統(tǒng)需要模擬和數(shù)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10 kΩ電阻上拉，P2.27（BOOT1）接一跳線座,，通過跳線讓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,。由CAT1025構成手動復位監(jiān)控電路，提高了系統(tǒng)的可靠性,。當SW按鍵按下時,，CAT1025的2引腳輸出持續(xù)為大于150 ms的低電平，LPC2294復位,。在CAT1025的2引腳通過10 kΩ電阻上拉,，防止產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(tǒng),，必須擴展系統(tǒng)RAM與FLASH.LPC2294具有外部存儲器控制器（EMC），該部件可同時支持多達4個單獨配置的存儲器組,。每個存儲器組都支持SRAM,、ROM、Flash EPROM,、Burst ROM以及外部I/O設備,。主節(jié)點外部存儲器地址分配情況如表1.

表1 主節(jié)點外部存儲器地址分配情況

　　主節(jié)點采用的SRAM和NORFLASH分別是MT45W4MW16、SST39VF1601.MT45W4MW16是一個16位,、8 MB容量的PSRAM.SST39VF1601是一個16位的CMOS多功能Flash MPF器件,，儲存容量為2 MB.其電路連接如圖5、圖6所示,。

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(tǒng)和應用程序,，使用Jff2文件系統(tǒng)格式。NANDFLASH采用三星公司的K9F2G08UOA,，存儲容量為256 M.NANDFLASH的數(shù)據(jù)接口為8位串行接口,，使用nCS2作為片選線，地址區(qū)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A2和A3,，因此NANDFLASH的數(shù)據(jù)寫入地址為0x82000000，命令寫入地址為0x82000004,，地址寫入地址為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。每個總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達1 Mb/s,，兼容CAN2.0B.LPC2294沒有集成CAN收發(fā)器，無法將TTL電平轉換為CAN總線的差分電平信號,。因此主節(jié)點采用了帶有隔離功能的CTM1050T作為CAN收發(fā)器,。在CAN總線兩端須連接120Ω的電阻,，以匹配總線阻抗，提高數(shù)據(jù)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 以太網電路

　　主節(jié)點采用RTL8019AS作為以太網控制器,。RTL8019AS是一種全雙工即插即用的以太網控制器,，已集成了RTL8019內核和一個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,。網絡接口采用帶網絡變壓器的HR901170A.RTL8019AS使用的片選線為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條款的開放源碼項目。從FADSROM,、8xxROM,、PPCBOOT逐步發(fā)展演化而來，支持多種嵌入式操作系統(tǒng)內核與微處理器系列,。U-Boot的啟動過程：初始化目標板硬件,。給嵌入式操作系統(tǒng)提供板上硬件資源信息，加載,、引導嵌入式操作系統(tǒng),。主節(jié)點使用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的移植過程：首先通過修改star t.s文件設定系統(tǒng)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）,、以太網控制器等的硬件連接信息,；接下來修改串口驅動代碼使之與系統(tǒng)主頻匹配；最后通過配置菜單配置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沒有MMU單元，不能運行定制的Linux,，只能使用μCLinux.主節(jié)點移植的μCLinux版本號為2.6.25.從該版本開始,，μCLinux支持CAN總線驅動。移植過程如下：

　　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

　　移植需要修改的部分驅動代碼：

　　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，因此不再進行系統(tǒng)時鐘頻率,、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(tǒng)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引導程序的初始化設置相同,。

　　2）修改NANDFLASH驅動代碼

　　μCLinux內核從2.6.14開始更改了NANDFLASH的驅動代碼，使驅動更加智能化,，不再需要寫讀寫函數(shù),，只需要實現(xiàn)讀寫時序函數(shù)。時序函數(shù)只關心如何來發(fā)送指令到NANDFLASH,，例如寫指令周期需要對ALE線使能,，那么μCLinux下的讀寫函數(shù)會給這個時序函數(shù)發(fā)送一段指令中包含使能ALE線的指令，然后將數(shù)據(jù)寫到數(shù)據(jù)總線上,，CLE的實現(xiàn)與之相類似,。

　　3.3 CAN控制器驅動設計

　　對于微處理器來說，CAN控制器完全是基于事件觸發(fā)的,，即CAN控制器會在本身狀態(tài)發(fā)生改變時,，會將狀態(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,，可以采用中斷的方式,，也可以采用輪詢查看CAN控制器狀態(tài)的方式來對CAN控制器做出相應的處理。在μCLinux下CAN驅動程序設計包括初始化函數(shù),、讀函數(shù),、寫函數(shù)、中斷服務函數(shù)等設計,，使用文件指針注冊設備,，用戶程序則通過對設備文件的操作來收發(fā)CAN總線數(shù)據(jù)。CAN驅動程序主要功能包括：

　　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,、設置總線波特率,、設置中斷工作方式,、設置CAN驗收過濾器的工作方式以及啟動等。

　　2）CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送先將數(shù)據(jù)送到發(fā)送緩沖區(qū),，然后對發(fā)送寄存器賦值以啟動發(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TCS狀態(tài)位,，或配合發(fā)送成功中斷來判斷,。

　　3）CAN總線數(shù)據(jù)接收CAN總線數(shù)據(jù)接收通過讀取狀態(tài)寄存器查詢當前緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)，當有數(shù)據(jù)時將數(shù)據(jù)讀出并放到CAN接收環(huán)形數(shù)據(jù)存儲區(qū)中,，當用戶程序需要數(shù)據(jù)時則從該緩存區(qū)中讀出,。

　　4）CAN中斷處理 通過中斷獲知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函數(shù)實現(xiàn),。

　　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(tǒng)的CAN主節(jié)點軟硬件設計方案。主節(jié)點通過擴展SRAM,、FLASH提高了系統(tǒng)的性能,，采用帶隔離功能的CAN收發(fā)器增強了CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，外接以太網控制器實現(xiàn)了計算機遠程監(jiān)控,?；?mu;CLinux的軟件系統(tǒng)既提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、應用軟件的開發(fā)效率,，又使得眾多的Linux平臺軟件可容易地移植到主節(jié)點,，增強系統(tǒng)的功能。通過制作了樣機并進行實驗,，驗證了這一方案的有效性,。