网关的硬件设计

1.1

系统硬件结构

该系统的硬件部分主要由ARM、以太网接口、CAN接口、高速存储器、JTAG口、复位电路和电源等组成，其系统硬件结构如图1所示。

ARM移植TCP／IP通信协议和CAN协议，可完成以太网协议和CAN总线协议转换，实现以太网接口和CAN接口通信数据的透明传输。

以太网（Ethernet）指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。

以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802·3系列标准相类似。

1.2

主控制器的选择

微处理器选用PhiIips公司ARM7TDMI内核的32位微控制器LPC2294，与一般单片机相比，LPC2294可嵌入操作系统。

LPC2294内嵌256 KB的高速FLASH存储器和16 KB的静态RAM，多个外部中断和串行口，LPC2294内部还集成了CAN控制器，只要加上CAN总线收发器就可以构成CAN节点，从而大大简化了硬件电路。

微处理器用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器与传统的中央处理器相比，具有体积小，重量轻和容易模块化等优点。

微处理器的基本组成部分有：寄存器堆、运算器、时序控制电路，以及数据和地址总线。微处理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。

自从人类1947年发明晶体管以来，50多年间半导体技术经历了硅晶体管、集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电路等几代，发展速度之快是其他产业所没有的。

半导体技术对整个社会产生了广泛的影响，因此被称为“产业的种子”。中央处理器是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件，伴随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成密度越来越高，CPU可以集成在一个半导体芯片上。

1.3

系统电源电路和复位电路

在该设计中，需要使用5 V，3.3 V和1.8 V的直流稳压电源。其中，5 V电源由LM317L三端可调稳压器产生；3.3 V和l_8 V电源由可调节输出电压的SPXlll7产生。

系统复位电路的可靠性对整个系统的稳定起着非常重要的作用。在复位电路中采用了电压监控芯片TPS383K33，它是10 ms或200。ms可选的上电复位发生器，具有防按键抖动的手动复位输入功能，允许组成多个IC的菊花链电压监控等。

复位电路如图2所示，图2中，nRST连接到LPC2294的复位脚RESET；nTRST接以太网控制器ENC28J60的复位引脚。

1.4

CAN总线接口

CAN总线接口由LPC2294和CAN总线收发器等构成。这里采用带隔离的高速cAN收发器CTMl050T，其主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，并且具有（DC2500V）隔离功能、ESD保护功能及TVS管防总线过压功能，其内带隔离器，可减少外部相关电路的设计。

CAN总线接口电路如图3所示。CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。

这就保证不会在出现在RS-485网络中的现象，即当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。

而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。

而且，CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。

1.5

以太网接口

在系统设计中，采用ENC28J60作为网络接口芯片。ENC28J60是美国微芯科技公司推出的28引脚独立以太网控制器，内置以太网物理层器件（PHY）及介质访问控制器（MAC），可按以太网协议可靠地收发信息包数据。

另外，它还具有可编程8 KB双端口SRAM缓冲器，数据传输速率高达10 Mb／s。ENC28J60具有多种集成功能，如CRC校验、可编程过滤、可自动评价、接收或拒收多种信息包、数据滤波等功能，能高效率地进行信息包的存储、检索和修改，可减轻主控微处理器的内存负荷。

ENC28J60采用标准的SPI串行接口，只需4条连线即可实现与微处理器相连，而且它只有28个引脚，可以大大简化相关设计，减小空间。

网络插座采用RJ45插座HR911102A，其内置网络变压器、状态显示灯和电阻网络，具有信号耦合电气隔离、阻抗匹配、抑制干扰等特点，可提高系统抗干扰能力和收发的稳定性。

以太网接口电路如图4所示，图4中ENC28J60的2个中断引脚INT和WOL分别接LPC2294的EINTl，EINT2；ENC28J60的SPI脚SO，SI，SCK，CS分别接LPC2294的脚MISO1，MISll，SCKl，CSl，2个专用的引脚（LEDA，LEDB）用于连接HR911102A的LEDG，LEDY，进行网络活动状态指示。

1.6

外扩存储器接口

由于LPC2294内部只有16 KB的RAM，不能满足以太网数据存储的空间要求，该设计扩展了256 KB的外部存储器，选用RAMTRON公司的存储器芯片FM25256。

FM25256是采用先进的铁电技术制造的非易失性存储器，具有比其他非易失性存储器高得多的读写操作次数，可以承受超过一万亿次的读写操作。存储器接口电路如图5所示。

图5中FM25256的SPI脚SO，SI，SCK，CS分别与LPC2294的MISOO，MISl0，SCK0，CS2脚相连。写保护引脚WP与LPC2294的P2.21相连。FM25256主要用来存储以太网数据。