1.概述
当前，在工业控制中广泛采用总线技术，它把系统中的各个设备连接起来,形成一个工业网络系统。在这个系统的节点有：具备智能和通信特点的传感器、控制器、各类通信设备和计算机等。然而,由于各集团之间的利益竞争,目前的工业现场仪表总线方式非常多,有的仪表采用串口通讯方式，有的采用USB总线方式，有的采用CAN总线方式，有的采用以太网方式。这些仪表各自，难以统一集中或管理，显然,这些总线控制系统的发展趋势应该是共同遵从统一的技术规范,真正形成一套式互联系统,并与目前已广泛使用的信息网络——以太网无缝连接。因此,构建工业以太网将是工业控制网络的主要发展方向。
但是，在处理器方面，目前在8位和16位微控制器平台上运行的TCP/IP协议栈可以将智能控制设备、仪器仪表等接入以太网,但它仅可完成简单、低速的数据传输,无法满足工业现场的实时性和可靠性要求,尤其是在连接请求较多或控制任务较复杂时,几乎没有实时性可言。因此,必须采用功能更强、处理速度更快的32位微处理器,并且运行基于特定应用的嵌入式实时操作系统进行合理的任务调度,才能满足工业现场对实时性和可靠性的要求。本文以基于ARM内核的32位微控制器LPC2210研制工业以太网智能网关。
2.基于ARM的智能网关硬件系统结构
PHILIP公司的LPC2210是基于一个支持实时仿真和的32位ARM7TDMI-S核结构的微控制器。ARM结构是基于精简指令集计算机（RISC）原理设计的,由于使用了流水线技术,处理和存储系统的所有部分都可连续工作,通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码,并将第3条指令从存储器中取出。同时LPC2210具有多个32位定时器、410位ADC或8lO位ADC以及多达9个外部，因而它具有较高的性能，非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软modem以及其它各种类型的应用。目前，常用的通信接口有RS232、USB、CAN、以太网等接口。本智能网关以LPC2210的控制核心，设计其相应的数据传输硬件电，实现几种常用的总线形式的数据向以太网的传输，如图1所示。
图1系统设计架构
3.硬件电设计
图2为USB和CAN总线接口电设计，CAN总线电主要由五部分构成：微控制器LPC2210,的CAN控制器SJA1000,CAN总线驱动器PCA82C250,高速光电耦合器6N137,电源隔离模块。微控制器LPC2210通过控制SJA1000实现数据的发送、接收。SJA1000负责数据链层的工作,它把发送缓冲器的数据经过处理后送到82C250,把要接收的数据经过处理后放到接收缓冲器等待微处理器的读取。82C250提供SJA1000与物理总线之间的接口。6N137和电源隔离模块用于实现总线上各个CAN节点的电气隔离,增强系统的抗干扰能力。CH372是一个USB总线的通用设备接口芯片,具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出,可以方便的挂接到单片机或DSP等控制器的系统总线上。CH372内置了USB通信中的底层协议,具有内置固件模式和外置固件模式。在内置固件模式下,CH372自动处理默认端点0的所有事务,本地端单片机只要负责数据交换，在外置固件模式下,由外部MCU根据需要自行处理各种USB请求,从而可以实现符合各种USB类规范的设备。
LPC2210的P3.23连接到SJA1000的CS引脚,当为低电平时选中SJA1000，P0.30与SJA1000的INT引脚相连，用于USB中断响应。P2.22和P3.21分别连接到CH372的CS和A0引脚,当P3.21为低电平、P2.22为高电平时选中CH372的命令端口;当P3.21为低电平、P2.22为低电平时选中CH372的数据端口。
图2USB和CAN总线接口电设计
图3为RTL8019以太网接口电，以太网接口电分为三部分组成：微控制器LPC2210和以太网接口芯片RTL8019以及网络接口HR901170A。微控制器LPC2210通过控制RTL8019实现数据的发送、接收。RTL8019集成以太网控制器、介质访问控制子层（MAC）和物理层,可以方便地设计成ISA总线的系统。另外,它提供给微控制器简单接口,使微控制器只需要对其相关寄存器进行相应读写即可完成对以太网的操作，同时，它还具有与NE2000兼容、软件移植性好以及价格低廉等优点。
图3RTL8019以太网接口电
电设计为16位总线方式对RTL8019进行访问，RTL8019的数据线SD0-SD15与CPU的P2.0-P2.15连接,RTL8019工作在跳线模式，它选择的端口I/O址为300H，电上SA6、SA7、SA10～SA19均接地，SA8、SA9接高电平，SA5与片选P3.23连接，当SA5为低电平，即选中芯片。读写信号线IORB、IOWB分别接微处理器的读写信号线,RSTDRV为芯片复位引脚，接LPC2210的P0.6。RTL8019内置10BASE-T收发器,所以网络接口电比较简单,通过一个滤波器之后,连接到HR90117A,这是一个集成网络变压器的RJ45接口,使用该接口既节省了空间,又增加了可靠性。
延伸内容：