本地控制器網絡（CAN）由于低成本和高可靠性，已經在工業分布式控制系統中廣泛使用。以太網的低成本和易配置特性也使得其在計算機通信網絡中廣泛應用。本文介紹了基于以太網和控制器區域網總線通信系統的集成通信網關系統的開發。系統開發的目的是在以太網和控制器區域網總線之間交換實時控制信息，以實現分布式控制和監測。 1 硬件平臺設計 　　嵌入式處理器可編程邏輯電路設計方面最大的挑戰之一就是為適合速度要求非常廣泛的應用。在低端,系統要求可能少于10MIPS;在高端，系統可能要求好幾百 MIPS。不同系統需要的范圍不同。完全滿足范圍需要的解決方案需要提供可編程設備配置、操作以及精通嵌入式處理器的用戶。網關系統的設計建立在 Altera Excalibur[3]嵌入式處理器基礎上，它可以提供最佳的解決方案，擁有較優的適應性和強大的性能。基于核心部分SOPC[4]的ARM系統設計結構如圖1所示。控制器網關結構如圖2所示。 　　1.1 軟核CAN控制器設計 　　使用AMBA總線接口的Soft CAN控制器是為了進行控制器網絡通信設計開發的，它能在網關系統平臺上運行。該Soft CAN控制器具備CAN 2.0B[1]規范的所有協議功能，包括錯誤處理能力、填充位產生、循環冗余碼校驗（CRC）、主動/被動錯誤幀和擴展幀技術支持。Soft CAN控制器也能支持如下應用發展：信息過濾、信息封裝、信息發送緩沖、信息接收緩沖以及發送、接收和錯誤事件的中斷觸發。Soft CAN控制器提供AMBA兼容接口以實現數據高速傳輸，也提供中斷支持實現系統快速響應。 　　1.2 Soft CAN控制器模擬驗證 　　Soft CAN控制器模擬驗證平臺設計如圖3所示。 　　Soft CAN控制器的綜合模擬/驗證輸出波形（如圖4）說明了其控制器工作狀態正確。 　　從圖4所示的驗證輸出結果，可以得出以下結論： 　　（1）Soft CAN控制器#1狀態： 　　“00000000000000000000000000001000” ——>Soft CAN控制器正在控制CAN數據線信號。 　　（2）Soft CAN 控制器#2狀態： 　　“00000000000000000000000000001000” ——> Soft CAN控制器正在控制CAN數據線信號。 　　（3）Soft CAN 控制器#1 TX緩沖器：標識 -“11101101000”，數據-“10011001100110011001100110011001”。 　　（4）Soft CAN 控制器#1 TX緩沖器：標識- NA，數據-NA。 2 軟件設計 　　軟件設計包括實時操作系統[5]移植、異常處理支持、設備驅動程序開發和文件系統開發等。 　　2.1 實時操作系統移植 　　eCos被成功地移植到網關系統硬件平臺，為應用系統的開發提供實時服務。由于eCos的分層結構使得其移植靈活并容易，所有結構和平臺的絕對代碼都在硬件抽象層（HAL）實現。 　　2.1.1 系統啟動模式 　　本系統移植提供四種啟動模式。 　　（1）ROM啟動模式。在ROM啟動模式中，應用程序儲存在EPXA1開發板的閃存中，并從那里啟動。 　　（2）ROM-RAM啟動模式。在ROM-RAM啟動模式中，應用程序存儲在閃存中。啟動程序將先從閃存中運行，并且初始化系統。在系統初始化后，eCos應用程序將會從閃存中自動復制到SDRAM中，接著在SDRAM中以更高的速度運行。 　　（3）RAM啟動模式。在RAM啟動模式中，eCos應用程序會通過EPXA1板上的調試器（例如RedBoot加載到其板的SDRAM內存中）啟動。這主要是為了調試。 　　2.1.2 線程管理 　　EPXA1 eCos移植完全支持多線程編程模式。除了任務同步支持外，它還提供了一系列可選擇的調度算法。 　　2.1.3 系統定時支持 　　系統的定時基準由Altera EPXA1平臺上的系統定時器提供，定時器頻率為150MHz。系統的脈沖周期為10毫秒。在EPXA1 上移植的eCos控制通過內核使用的時鐘或計時設備進行暫停、延時和調度服務，供系統內核使用。 　　2.2 異常處理 　　所有的異常，包括FIQ和IRQ中斷[7]，都跳轉到矢量0地址，每個中斷矢量占4字節。這里僅有一個指令空間，它須立即跳轉到內存中更高地址的代碼。中斷源必須進行解碼。由于每一個矢量服務例程都對應一個不同的CPU模式的入口，所以需要對每一個異常有一個不同的VSR，它知道怎樣從中斷控制器完全正確地保存CPU狀態。這個異常處理機制包含一個分離的中斷處理方案。在這個方案中，中斷處理劃分為兩部分。第一部分稱之為中斷服務程序或ISR;第二部分是延遲服務程序或DSR。這種劃分明確地顧及 到了DSRs與正在執行的中斷同時運行，因此允許當正在執行低級別的中斷時其他內在具有更高優先級別的中斷發生及接受處理。 　　2.3 設備驅動程序開發 　　2.3.1 閃存設備驅動程序 　　本項目開發了基于Intel 28F320C閃存的驅動程序。Boot-loader用它來儲存映像、配置信息和閃存內的數據。這個設備驅動程序提供廣泛的操作支持。 　　（1）閃存查詢：可從閃存中重新獲得廠商和零件號碼代碼。 　　（2）閃存區塊擦除：擦掉閃存中的模塊。 　　（3）閃存編程緩沖：允許在閃存中寫入一緩沖的數據。 　　（4）閃存區段上鎖/開啟:允許閃存中的內容受到保護。 　　2.3.2 以太網接口設備驅動程序 　　以太網設備驅動程序支持以太網控制器SMC91C111，它可以提供雙重速度10/100Mbps的通信支持。以太網設備Lan91C111提供所有發送、接收與事件中斷等必要的功能，以支持與BSD TCP/IP 堆棧的集成實現TCP/IP網絡協議。 　　2.3.3 Soft CAN控制器設備驅動程序 　　此設備驅動程序提供了對控制器區域網絡通信的支持，以實現發送、接收及中斷處理功能。圖5為驅動程序流程圖。 　　2.4 嵌入式文件系統開發 　　為了使信息保存與交換更加高效，本項目開發了基于閃存和RAM的文件系統。該文件系統提供廣泛的文件操作支持：文件新建、文件刪除、文件復制、文件重命名和文件移動，還有目錄支持。文件系統可以交叉操作，文件可以在基于文件系統的閃存和RAM之間實現復制或移動。 　　2.5 調試支持 　　一般地，硬件模擬方法需要花費大量的資金。為了實現低成本設計，釆用了基于軟件的調試方法。這個基于軟件的EPXA1平臺調試工具已經集成到該網關平臺中，在系統開發中提供調試功能。這個調試器可以使用串行端口或以太網信道實現與主機間的通信。這個軟件調試器提供一般的調試功能，諸如：單步運行、變量訪問、處理器寄存器恢復、資源等級調試和斷點支持。 3 系統集成 　　3.1 網絡實時焊接控制系統應用 　　此應用提供了一個分布式的網絡解決方案，以監控一個分布式的實時焊接控制網絡。用戶可以通過因特網監控SMD[8]定位焊接控制網絡。SMD定位焊接系統如圖6所示。 　　該應用系統基于嵌入式網絡服務器的支持，為遠程計算機動態生成需要的網頁，即監控和配置。 　　3.2 系統驗證以及結論 　　該網關系統的實時性能可通過使用儀器運行相關任務進行評測。對該整套實驗操作所收集到的數據進行分析，得出平均值、最大值以及最小值;再計算出樣品方差;測量出獲得實時時鐘計時數值所需的時間，再減去其他時間。所得到的數據說明??。 　　為了確保監控系統的網頁不會丟失任何控制器區域網信息，已采取了如下結構的接收計時測量方法：網絡監控系統的控制器網絡通信速度為125Kbps，系統運行頻率為75MHz，控制器區域網絡標準限制了最小間幀間隔為3位節拍。因而一個滿荷的控制器網絡中，控制器區域網絡信息幀之間的空閑時間可以用式（1）計算： 　　從eCos的實時特性所顯示的結果，可以得到中斷反應時間為5.31微秒。所以可以從式（2）得到計時結果。 　　通過以上驗證得知，網絡監控系統網頁能夠監控SMD定位焊接控制網絡，即使網絡總線滿荷時也不會丟失任何一個實時的監控信息。