基于CAN总线的运动控制系统设计
1 总体设计
主节点采用arm7内核的lpc2294微控制器，使用rtl8019as作为以太网控制器，软件上采用具有网络功能强、性能稳定、移植性好的μcli nux作为操作系统。基于can总线的运动控制系统，主要由1个主节点（主控制器节点）、若干个从节点（电机控制节点）以及1台计算机构成，主节点与从节点之间通过can总线进行通信，主节点与计算机之间则通过以太网进行通信，如图1所示。
图1 运动系统控制结构
主节点主要功能包括：1）通过can总线发送电机控制信息给从节点，并接收各从节点的反馈信息：2）通过以太网与计算机监控端进行通信，以实现远程监控。
1.1 整体硬件设计
主节点整体硬件结构如图2所示。
图2 硬件结构
主节点采用的lpc2294基于arm7tdmi内核的32位处理器，带有256kb高速flash、16kb静态ram，内部集成4路can控制器，支持sram、falsh扩展。由于lpc2294内部集成can，因此外部只需can收发器与之连接。can收发器选用周立功的ctml050t.ctm1050t是一款带隔离的高速can收发器，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，并具有隔离功能（dc2500 v）、esd保护功能及tvs管防总线过压功能。 lpc2294具有外部存储器控制器（emc），通过该部件可以扩展更多的flash和sram以及以太网、usb等外设。主节点采用rtl8019as作为以太网控制器，分别使用mt45w4mw16、sst39vf1601、k9f2g08uoa进行sram、norflash、nandflash的扩展。
1.2 软件结构
主节点软件结构如图3所示，u-boot作为bootloader（启动引导程序），负责初始化目标板硬件与引导操作系统。这里采用μclinux作为嵌入式操作系统。μclinux（microcontrol linux）即“微控制器领域中的linux系统”，主要是针对目标处理器没有存储管理单元（mmu）的嵌入式系统而设计的。它保留了linux的大多数优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、对各种文件系统完备的支持和标准丰富的api.同时μclinux包含大量的设备驱动程序，以及提供良好的驱动程序开发框架。驱动程序开发或配置主要包括can、以太网以及nandflash3大部分。上层应用程序通过使用can接口函数、socket接口以及库函数进行各种应用开发。整个系统的启动过程是：u-boot把μclinux内核从norflash中加载到sram中，然后启动μclinux，μclinux初始化硬件及建立运行环境后，自动运行预设的应用程序。
图3 软件结构
2 硬件设计
2.1 lpc2294最小系统
lpc2294采用lqfp144封装，最小系统需要模拟和数字3.3 v电源以及核心电源1.8 v.为了便于串口波特率的设置，外部接11.0 592 mhz晶振。p2.26（boot0）通过10 kω电阻上拉，p2.27（boot1）接一跳线座，通过跳线让p2.27可选择接高电平或低电平以选择从内部flash或外部norflash启动。由cat1025构成手动复位监控电路，提高了系统的可靠性。当sw按键按下时，cat1025的2引脚输出持续为大于150 ms的低电平，lpc2294复位。在cat1025的2引脚通过10 kω电阻上拉，防止产生错误的引脚输出状态，复位电路如图4所示。
图4 复位电路图
2.2 sram和norflash电路
为了运行μclinux操作系统，必须扩展系统ram与flash.lpc2294具有外部存储器控制器（emc），该部件可同时支持多达4个单独配置的存储器组。每个存储器组都支持sram、rom、flash eprom、burst rom以及外部i/o设备。主节点外部存储器地址分配情况如表1.
表1 主节点外部存储器地址分配情况
主节点采用的sram和norflash分别是mt45w4mw16、sst39vf1601.mt45w4mw16是一个16位、8 mb容量的psram.sst39vf1601是一个16位的cmos多功能flash mpf器件，储存容量为2 mb.其电路连接如图5、图6所示。
图5 sram电路连接图
图6 norflash电路连接图
2.3 nandflash电路
nandflash用作存放μclinux的根文件系统和应用程序，使用jff2文件系统格式。nandflash采用三星公司的k9f2g08uoa，存储容量为256 m.nandflash的数据接口为8位串行接口，使用ncs2作为片选线，地址区间使用0x8200 0000-0x82ff ffff，cle（指令使能）和ale（地址使能）分别连接到地址总线a2和a3，因此nandflash的数据写入地址为0x82000000，命令写入地址为0x82000004，地址写入地址为0x82000008.r/b（准备/忙等待）连接到p1.18，用于读取当前状态，此引脚须上拉。其电路连接如图7所示。
图7 nandflash电路连接图
2.4 can接口电路
lpc2294内部集成了4路can控制器。每个总线上的数据传输速率高达1 mb/s，兼容can2.0b.lpc2294没有集成can收发器，无法将ttl电平转换为can总线的差分电平信号。因此主节点采用了带有隔离功能的ctm1050t作为can收发器。在can总线两端须连接120ω的电阻，以匹配总线阻抗，提高数据通信的抗干扰性及可靠性。以下是1路can收发器的电路图，其余3路连接方式与此一样。
图8 can收发器电路图
2.5 以太网电路
主节点采用rtl8019as作为以太网控制器。rtl8019as是一种全双工即插即用的以太网控制器，已集成了rtl8019内核和一个16 kb的sdr am存储器。它兼容rtl8019控制软件和ne2000 8 bit或16 bit的传输。网络接口采用带网络变压器的hr901170a.rtl8019as使用的片选线为ncs3，地址范围为0x8300 0000-0x83ff ffff，由于只有256 b的寄存器，因此可操作地址范围为0x8300 0000-0x8300 00ff.rtl8019as使用20m晶振。
3 软件设计
3.1 u-boot移植
u-boot（universal boot loader）是遵循gpl条款的开放源码项目。从fadsrom、8xxrom、ppcboot逐步发展演化而来，支持多种嵌入式操作系统内核与微处理器系列。u-boot的启动过程：初始化目标板硬件。给嵌入式操作系统提供板上硬件资源信息，加载、引导嵌入式操作系统。主节点使用u-boot-2009-01，它不仅支持arm-720t内核，而且间接提供了对lpc2294的板级支持。u-boot的移植过程：首先通过修改star t.s文件设定系统主频：然后针对u-boot所支持的lpc2292硬件资源配置信息作必要的修改，如外部存储器控制器（emc）、以太网控制器等的硬件连接信息；接下来修改串口驱动代码使之与系统主频匹配；最后通过配置菜单配置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没有mmu单元，不能运行定制的linux，只能使用μclinux.主节点移植的μclinux版本号为2.6.25.从该版本开始，μclinux支持can总线驱动。移植过程如下：
1）打philips公司针对该芯片提供的官方补丁；
2）修改nandflash部分的驱动程序；
3）配置μclinux内核；
4）交叉编译内核。
所需源码及补丁文件如表2所示。
表2 所需源码及补丁文件
移植需要修改的部分驱动代码：
1）修改arch/arm/math-lpc22xx/head.s因为μclinux假设运行前已由bootloader完成基本硬件初始化工作，因此不再进行系统时钟频率、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储器控制器、系统分频器pll等部分代码，需要更改这部分代码，使之与u-boot中lowlevel_init.s文件的描述一致。另外μclinux运行前必须由bootloader将其内核装入内存偏移量为0x80000000的地方，因此要保证在μclinux源码中的对应设置与启动引导程序的初始化设置相同。
2）修改nandflash驱动代码
μclinux内核从2.6.14开始更改了nandflash的驱动代码，使驱动更加智能化，不再需要写读写函数，只需要实现读写时序函数。时序函数只关心如何来发送指令到nandflash，例如写指令周期需要对ale线使能，那么μclinux下的读写函数会给这个时序函数发送一段指令中包含使能ale线的指令，然后将数据写到数据总线上，cle的实现与之相类似。
3.3 can控制器驱动设计
对于微处理器来说，can控制器完全是基于事件触发的，即can控制器会在本身状态发生改变时，会将状态变化的结果告诉微处理器。所以微处理器处理can控制器时，可以采用中断的方式，也可以采用轮询查看can控制器状态的方式来对can控制器做出相应的处理。在μclinux下can驱动程序设计包括初始化函数、读函数、写函数、中断服务函数等设计，使用文件指针注册设备，用户程序则通过对设备文件的操作来收发can总线数据。can驱动程序主要功能包括：
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、设置管脚连接、软件复位、设置can报警界限、设置总线波特率、设置中断工作方式、设置can验收过滤器的工作方式以及启动等。
2）can总线数据发送先将数据送到发送缓冲区，然后对发送寄存器赋值以启动发送。can控制器只负责发送，并不保证发送成功。因此要知道是否发送成功，须查询tcs状态位，或配合发送成功中断来判断。
3）can总线数据接收can总线数据接收通过读取状态寄存器查询当前缓冲区中是否有数据，当有数据时将数据读出并放到can接收环形数据存储区中，当用户程序需要数据时则从该缓存区中读出。
4）can中断处理 通过中断获知can控制器的当前状态，然后做出相应的处理，包括接收中断处理、发送中断处理以及异常中断处理。中断处理由中断服务函数实现。
4 结论
本文提出一种基于lpc2294微控制器，使用μclinux作为操作系统的can主节点软硬件设计方案。主节点通过扩展sram、flash提高了系统的性能，采用带隔离功能的can收发器增强了can总线节点的抗干扰能力，外接以太网控制器实现了计算机远程监控。基于μclinux的软件系统既提高了系统的稳定性、应用软件的开发效率，又使得众多的linux平台软件可容易地移植到主节点，增强系统的功能。通过制作了样机并进行实验，验证了这一方案的有效性。
来源；电子工程网
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主节点采用arm7内核的lpc2294微控制器，使用rtl8019as作为以太网控制器，软件上采用具有网络功能强、性能稳定、移植性好的μcli nux作为操作系统。基于can总线的运动控制系统，主要由1个主节点（主控制器节点）、若干个从节点（电机控制节点）以及1台计算机构成，主节点与从节点之间通过can总线进行通信，主节点与计算机之间则通过以太网进行通信，如图1所示。
图1 运动系统控制结构
主节点主要功能包括：1）通过can总线发送电机控制信息给从节点，并接收各从节点的反馈信息：2）通过以太网与计算机监控端进行通信，以实现远程监控。
1.1 整体硬件设计
主节点整体硬件结构如图2所示。
图2 硬件结构
主节点采用的lpc2294基于arm7tdmi内核的32位处理器，带有256kb高速flash、16kb静态ram，内部集成4路can控制器，支持sram、falsh扩展。由于lpc2294内部集成can，因此外部只需can收发器与之连接。can收发器选用周立功的ctml050t.ctm1050t是一款带隔离的高速can收发器，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，并具有隔离功能（dc2500 v）、esd保护功能及tvs管防总线过压功能。 lpc2294具有外部存储器控制器（emc），通过该部件可以扩展更多的flash和sram以及以太网、usb等外设。主节点采用rtl8019as作为以太网控制器，分别使用mt45w4mw16、sst39vf1601、k9f2g08uoa进行sram、norflash、nandflash的扩展。
1.2 软件结构
主节点软件结构如图3所示，u-boot作为bootloader（启动引导程序），负责初始化目标板硬件与引导操作系统。这里采用μclinux作为嵌入式操作系统。μclinux（microcontrol linux）即“微控制器领域中的linux系统”，主要是针对目标处理器没有存储管理单元（mmu）的嵌入式系统而设计的。它保留了linux的大多数优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、对各种文件系统完备的支持和标准丰富的api.同时μclinux包含大量的设备驱动程序，以及提供良好的驱动程序开发框架。驱动程序开发或配置主要包括can、以太网以及nandflash3大部分。上层应用程序通过使用can接口函数、socket接口以及库函数进行各种应用开发。整个系统的启动过程是：u-boot把μclinux内核从norflash中加载到sram中，然后启动μclinux，μclinux初始化硬件及建立运行环境后，自动运行预设的应用程序。
图3 软件结构
2 硬件设计
2.1 lpc2294最小系统
lpc2294采用lqfp144封装，最小系统需要模拟和数字3.3 v电源以及核心电源1.8 v.为了便于串口波特率的设置，外部接11.0 592 mhz晶振。p2.26（boot0）通过10 kω电阻上拉，p2.27（boot1）接一跳线座，通过跳线让p2.27可选择接高电平或低电平以选择从内部flash或外部norflash启动。由cat1025构成手动复位监控电路，提高了系统的可靠性。当sw按键按下时，cat1025的2引脚输出持续为大于150 ms的低电平，lpc2294复位。在cat1025的2引脚通过10 kω电阻上拉，防止产生错误的引脚输出状态，复位电路如图4所示。
图4 复位电路图
2.2 sram和norflash电路
为了运行μclinux操作系统，必须扩展系统ram与flash.lpc2294具有外部存储器控制器（emc），该部件可同时支持多达4个单独配置的存储器组。每个存储器组都支持sram、rom、flash eprom、burst rom以及外部i/o设备。主节点外部存储器地址分配情况如表1.
表1 主节点外部存储器地址分配情况
主节点采用的sram和norflash分别是mt45w4mw16、sst39vf1601.mt45w4mw16是一个16位、8 mb容量的psram.sst39vf1601是一个16位的cmos多功能flash mpf器件，储存容量为2 mb.其电路连接如图5、图6所示。
图5 sram电路连接图
图6 norflash电路连接图
2.3 nandflash电路
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图7 nandflash电路连接图
2.4 can接口电路
lpc2294内部集成了4路can控制器。每个总线上的数据传输速率高达1 mb/s，兼容can2.0b.lpc2294没有集成can收发器，无法将ttl电平转换为can总线的差分电平信号。因此主节点采用了带有隔离功能的ctm1050t作为can收发器。在can总线两端须连接120ω的电阻，以匹配总线阻抗，提高数据通信的抗干扰性及可靠性。以下是1路can收发器的电路图，其余3路连接方式与此一样。
图8 can收发器电路图
2.5 以太网电路
主节点采用rtl8019as作为以太网控制器。rtl8019as是一种全双工即插即用的以太网控制器，已集成了rtl8019内核和一个16 kb的sdr am存储器。它兼容rtl8019控制软件和ne2000 8 bit或16 bit的传输。网络接口采用带网络变压器的hr901170a.rtl8019as使用的片选线为ncs3，地址范围为0x8300 0000-0x83ff ffff，由于只有256 b的寄存器，因此可操作地址范围为0x8300 0000-0x8300 00ff.rtl8019as使用20m晶振。
3 软件设计
3.1 u-boot移植
u-boot（universal boot loader）是遵循gpl条款的开放源码项目。从fadsrom、8xxrom、ppcboot逐步发展演化而来，支持多种嵌入式操作系统内核与微处理器系列。u-boot的启动过程：初始化目标板硬件。给嵌入式操作系统提供板上硬件资源信息，加载、引导嵌入式操作系统。主节点使用u-boot-2009-01，它不仅支持arm-720t内核，而且间接提供了对lpc2294的板级支持。u-boot的移植过程：首先通过修改star t.s文件设定系统主频：然后针对u-boot所支持的lpc2292硬件资源配置信息作必要的修改，如外部存储器控制器（emc）、以太网控制器等的硬件连接信息；接下来修改串口驱动代码使之与系统主频匹配；最后通过配置菜单配置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没有mmu单元，不能运行定制的linux，只能使用μclinux.主节点移植的μclinux版本号为2.6.25.从该版本开始，μclinux支持can总线驱动。移植过程如下：
1）打philips公司针对该芯片提供的官方补丁；
2）修改nandflash部分的驱动程序；
3）配置μclinux内核；
4）交叉编译内核。
所需源码及补丁文件如表2所示。
表2 所需源码及补丁文件
移植需要修改的部分驱动代码：
1）修改arch/arm/math-lpc22xx/head.s因为μclinux假设运行前已由bootloader完成基本硬件初始化工作，因此不再进行系统时钟频率、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储器控制器、系统分频器pll等部分代码，需要更改这部分代码，使之与u-boot中lowlevel_init.s文件的描述一致。另外μclinux运行前必须由bootloader将其内核装入内存偏移量为0x80000000的地方，因此要保证在μclinux源码中的对应设置与启动引导程序的初始化设置相同。
2）修改nandflash驱动代码
μclinux内核从2.6.14开始更改了nandflash的驱动代码，使驱动更加智能化，不再需要写读写函数，只需要实现读写时序函数。时序函数只关心如何来发送指令到nandflash，例如写指令周期需要对ale线使能，那么μclinux下的读写函数会给这个时序函数发送一段指令中包含使能ale线的指令，然后将数据写到数据总线上，cle的实现与之相类似。
3.3 can控制器驱动设计
对于微处理器来说，can控制器完全是基于事件触发的，即can控制器会在本身状态发生改变时，会将状态变化的结果告诉微处理器。所以微处理器处理can控制器时，可以采用中断的方式，也可以采用轮询查看can控制器状态的方式来对can控制器做出相应的处理。在μclinux下can驱动程序设计包括初始化函数、读函数、写函数、中断服务函数等设计，使用文件指针注册设备，用户程序则通过对设备文件的操作来收发can总线数据。can驱动程序主要功能包括：
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、设置管脚连接、软件复位、设置can报警界限、设置总线波特率、设置中断工作方式、设置can验收过滤器的工作方式以及启动等。
2）can总线数据发送先将数据送到发送缓冲区，然后对发送寄存器赋值以启动发送。can控制器只负责发送，并不保证发送成功。因此要知道是否发送成功，须查询tcs状态位，或配合发送成功中断来判断。
3）can总线数据接收can总线数据接收通过读取状态寄存器查询当前缓冲区中是否有数据，当有数据时将数据读出并放到can接收环形数据存储区中，当用户程序需要数据时则从该缓存区中读出。
4）can中断处理 通过中断获知can控制器的当前状态，然后做出相应的处理，包括接收中断处理、发送中断处理以及异常中断处理。中断处理由中断服务函数实现。
4 结论
本文提出一种基于lpc2294微控制器，使用μclinux作为操作系统的can主节点软硬件设计方案。主节点通过扩展sram、flash提高了系统的性能，采用带隔离功能的can收发器增强了can总线节点的抗干扰能力，外接以太网控制器实现了计算机远程监控。基于μclinux的软件系统既提高了系统的稳定性、应用软件的开发效率，又使得众多的linux平台软件可容易地移植到主节点，增强系统的功能。通过制作了样机并进行实验，验证了这一方案的有效性。
来源；电子工程网
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PXI技术新应用
集和诚科技与登临科技共同宣布展开战略合作
你会选择哪个PCB工具来整合
如何对PCB进行阻抗控制
小米AI音箱到底有什么用
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