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CAN总线与以太网嵌入式网关电路设计攻略 —电路图天天读（91）
接线图
2023年02月01日 21:09 317
admin
提出一种工业现场总线与以太网互联方法，介绍以太网与CAN 现场总线之间协议转换网关的设计与实现，采用AT89C55 作为主处理器，通过两个接口芯片实现CAN总线与以太网的互连，分别给出其硬件结构和软件设计思想。
目前，对于CAN 和以太网相连的嵌入式网关设计主要有两种方法：一种是低档MCU 加接口芯片的设计方法，另一种是高档MCU 加EOS（实时多任务操作系统）再加接口芯片的设计方法。因CAN 只采用了ISO／OSI 参考模型的一、二层，协议相对简单，比较适合用于低成本、速率要求不高的离散控制系统。从合理的成本和有效利用处理能力这两方面考虑，该设计采用低档MCU 加接口芯片的方法，其硬件框图见图。
主控芯片及以太网接口模块
根据要求，该系统选择了性能价格比较高的AT89C55 单片机。它是面向测控对象和嵌入式应用的，所以它的体系结构以及CPU、指令系统、外围单元电路都是按照这种要求专门设计的。它内部带高达20 KB 的FLASH 程序存储器，AT89C55 完全兼容8051 指令集，片上FLASH 方便了使用者进行在线编程，工作速率最高可达33 MHz，256 B 的内部RAM，32 个可编程的I／O口，3 个16 位的定时／计数器，8 个中断源，支持低功耗的空闲工作模式。以太网接口选用的是RTL8019AS 芯片，它是一种高度集成的以太网控制器，能实现以太网媒介访问层（MAC）和物理层（PHY）的全部功能。RTL8019AS 内部有两个RAM 区域：一是16 KB，地址为0x4000～0x7fff，要接收和发送数据包必须通过DMA 读写RTL8019AS 内部的16 KB 的RAM，它实际上是双端口RAM，即有两条总线与其连接，一条总线用于RTL8019AS读／写或写／读该RAM，即本地DMA；另一条总线用于单片机读或写该RAM，即远程DMA；二是32 个字节，地址为0x0000～0x001F，用于存储以太网物理地址。主控芯片和以太网接口芯片的硬件接口原理图见图2。值得注意的是由于以太网的包最大可以超过1 500 个字节，AT89C55 的片内RAM 只有256 个字节，因此无法存储这么大的包，所以这里扩展了一个32 KB 的外部RAM，这样同时也能提高单片机的数据传输速度。
图2 以太网接口电路原理图
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CAN 接口模块
组成CAN 系统的主要器件是CAN 控制器和收发器。该设计中，CAN 接口模块选用SJA1000 芯片和PCA82C250 芯片。SJA1000 是一个独立的CAN 控制器，它是Philips 公司另一个CAN 控制器PCA82C200 的替代产品，且增加了一种新的工作模式（Peli CAN），这种模式支持CAN 2．0B 协议。SJA1000 主要完成CAN 的通信协议，实现报文的装配和拆分、接收信息的过滤和校验等。PCA82C250 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。采用收发器的系统中，节点数至少可以达到110 个，同时还具有降低射频干扰（RFI）和很强的抗电磁干扰（EMI）能力。
特别注意：
（1）晶振电路的问题。89C55 和SJA1000 都应该有各自独立的晶振电路，不能够用SJA1000 的时钟输出信号CLKOUT 来驱动单片机。
（2） 复位引脚的问题。虽然SJA1000 的复位是低电平，但不能通过一个非门直接连接单片机的复位引脚。一般对解决复位引脚问题有两种方式：第一种是使用单片机的I／O 引脚控制SJA 的复位引脚，其好处是单片机可以完全控制SJA的复位过程；第二种是采用适当的复位芯片，为了降低成本，该设计采取的是第一种方法。
（3）RX1 引脚的电位必须维持在约0．5 VCC 上，否则将不能形成CAN 协议所要求的逻辑电平。
（4）一定要注意电缆的终端阻抗匹配，它直接影响CAN 总线是否能正常工作和网络性能。CAN 接口模块的硬件电路图见图3，在PCA82C250 的RS 脚上接有一个斜率电阻R，可根据总线通信速度适当调整电阻的大小。
图3 CAN 接口模块的硬件电路图
电子发烧友网技术编辑点评分析：
这里介绍的是一种低成本、高可靠性、快捷的CAN 以太网网关的硬件设计方案，通过实际应用证明，该设计可以作为CAN 总线节点的一个模块，能够与仪器仪表等设备相结合，使其具有网络通信的能力，比较同类产品的设计，该设计能大大提高其性价比。
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