互聯(lián)網(wǎng)關(guān)的嵌入不僅使管理深入到控制現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)給系統(tǒng)組網(wǎng)帶來了很大方便，這主要體現(xiàn)在：
　　(1)增大了系統(tǒng)的最大ＣＡＮ節(jié)點(diǎn)數(shù)。一個(gè)CAN子網(wǎng)" title="子網(wǎng)">子網(wǎng)在不接中繼器的條件下，最多可以掛接110個(gè)節(jié)點(diǎn)，而每個(gè)網(wǎng)關(guān)可以連接一個(gè)子網(wǎng)，通過多個(gè)網(wǎng)關(guān)可以把多個(gè)子網(wǎng)聯(lián)系在一起，從而增加了系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。
　　(2)擴(kuò)大了系統(tǒng)的組網(wǎng)范圍。CAN的直接通信距離只有10千米左右，系統(tǒng)按照現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域和節(jié)點(diǎn)數(shù)構(gòu)建子網(wǎng)，子網(wǎng)與子網(wǎng)通過以太網(wǎng)連接，從而突破了區(qū)域和距離的限制。
　　(3)實(shí)現(xiàn)了具有不同傳輸速度的現(xiàn)場(chǎng)總線子網(wǎng)的相互通信。網(wǎng)關(guān)提供一個(gè)友好的人機(jī)接口，用戶可以根據(jù)需要設(shè)置IP地址和CAN控制器的傳輸速率。
　　網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用給系統(tǒng)帶來方便的同時(shí)，也付出了一定的代價(jià)。在設(shè)計(jì)中必須考慮實(shí)時(shí)性與安全性，以提高系統(tǒng)的整體效率。
　　(1)實(shí)時(shí)性。由于使用網(wǎng)關(guān)，對(duì)數(shù)據(jù)的處理必須經(jīng)歷先存儲(chǔ)、再轉(zhuǎn)換、最后再發(fā)送的過程，這增加了存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)。因此在設(shè)計(jì)中必須考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，要求系統(tǒng)在存儲(chǔ)新接收到的數(shù)據(jù)后，立即啟動(dòng)協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，盡量減小系統(tǒng)延時(shí)。
　　(2)安全性。若網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)故障，會(huì)對(duì)CAN子網(wǎng)和以太網(wǎng)間的通信產(chǎn)生影響，甚至導(dǎo)致子網(wǎng)與整個(gè)系統(tǒng)的通信癱瘓。因此在硬件設(shè)計(jì)中，要盡量避免干擾等問題的出現(xiàn)，軟件必須具備對(duì)可糾正錯(cuò)誤及時(shí)作出反應(yīng)、并把錯(cuò)誤信息返回給用戶的能力。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為三部分：CAN接口、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口、人機(jī)接口。
2.1 主控制器的選擇
　　主控制器采用Philips公司生產(chǎn)的ARM控制器LPC2292。LPC2292是一個(gè)基于實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S^TM CPU，CPU內(nèi)核工作電壓為1.8V，引腳工作電壓為3.3V。
　　LPC2292嵌入256KB的高速Flash存儲(chǔ)器，無需外擴(kuò)存儲(chǔ)器，完全可以滿足系統(tǒng)代碼的容量。獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP協(xié)議棧中的ARP、TCP、UDP、ICMP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
　　LPC2292內(nèi)部集成兩個(gè)CAN控制器，以方便系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)。CAN控制器主要特性有：?jiǎn)蝹€(gè)總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1Mbps；32位寄存器和RAM訪問；兼容CAN2.0B，ISO11898-1規(guī)范；全局驗(yàn)收濾波器可以識(shí)別所有的11位和29位Rx標(biāo)識(shí)符；驗(yàn)收濾波器為選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符提供了FullCAN-style自動(dòng)接收。
　　CPU外部靜態(tài)存儲(chǔ)控制器為CPU內(nèi)部系統(tǒng)總線與外部存儲(chǔ)器或外部I/O器件提供了一個(gè)接口。利用這種外部總線可以方便地與以太網(wǎng)網(wǎng)卡控制器連接。
2.2 CAN接口部分
　　考慮系統(tǒng)的安全性，CAN接口采用冗余設(shè)計(jì)。當(dāng)正常通道發(fā)生故障，可自動(dòng)調(diào)用冗余通道進(jìn)行傳輸。如果冗余通道也發(fā)生故障，則進(jìn)入故障處理。其硬件接口如圖2所示。LPC2292兩路通道分別通過高速總線驅(qū)動(dòng)器TJA1050與總線相連，總線驅(qū)動(dòng)器采用帶隔離的DC/DC單獨(dú)供電，不僅實(shí)現(xiàn)了兩路通道之間的電氣隔離，也實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)與總線之間的電氣隔離。

2.3 網(wǎng)絡(luò)接口部分
　　網(wǎng)卡控制器采用臺(tái)灣RETACK公司的10Mbps以太網(wǎng)控制芯片RTL8019。RTL8019支持全雙工工作模式，軟件兼容8位或16位的NE2000模式；內(nèi)部集成DMA控制器、ISA總線控制器以及16KBRAM、網(wǎng)絡(luò)PHY收發(fā)器等。其與LPC2292的連接如圖2所示。RTL8019使用LPC2292外部存儲(chǔ)控制的BANK3部分，其數(shù)據(jù)地址范圍為：0x83400000~0x8340001F。RTL8019的工作電壓為+5V，而LPC2292的引腳工作電壓為3.3V，所以還應(yīng)在連接線上串聯(lián)470Ω的保護(hù)電阻。網(wǎng)絡(luò)傳輸線采用雙絞線。
2.4 人機(jī)接口
　　硬件部分還包括LED數(shù)碼管顯示和鍵盤。LED用來顯示工作狀態(tài)，鍵盤用來根據(jù)具體情況修正總線傳輸速率和網(wǎng)關(guān)的IP地址。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 引入RTOS
　　網(wǎng)關(guān)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求比較高，若采用傳統(tǒng)的前后臺(tái)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)會(huì)顯得過于復(fù)雜，且實(shí)時(shí)性不能保證。解決這個(gè)問題的最好方法是采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS。μC/OS-II" title="C/OS-II">C/OS-II操作系統(tǒng)是一種源代碼公開的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有代碼短小精悍、簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)。針對(duì)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，這是一個(gè)理想的選擇。
　　μC/OS-II完全是占先式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，基于優(yōu)先級(jí)。即總是讓就緒態(tài)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行，因此實(shí)時(shí)性比非占先的內(nèi)核要好。其大部分代碼是用C語言編寫的，可移植性強(qiáng)。
3.2 系統(tǒng)構(gòu)成
　　嵌入式網(wǎng)關(guān)的主要功能是進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文與CAN數(shù)據(jù)幀之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與CAN總線的互聯(lián)；其次是根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，通過人機(jī)交互接口改變網(wǎng)關(guān)的IP地址和CAN總線的傳輸速率。整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示。任務(wù)設(shè)計(jì)的前期工作有：
　　(1)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植：μC/OS-II絕大部分代碼是用C語言編寫的，可移植性強(qiáng)，可以在大多數(shù)8位、16位、32位以至64位微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)上運(yùn)行。μC/OS-II在LPC2292上的移植可參考文獻(xiàn)^[1]。
　　(2)TCP/IP協(xié)議和CAN協(xié)議的嵌入：μC/OS-II操作系統(tǒng)只包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間的通信同步(信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列)和內(nèi)存管理等功能，用戶必須根據(jù)需要添加相應(yīng)的功能模塊。網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)將TCP/IP和CAN協(xié)議嵌入到操作系統(tǒng)中，并提供API接口函數(shù)供用戶調(diào)用。

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
　　采用RTOS使整個(gè)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易調(diào)試，各個(gè)任務(wù)相互獨(dú)立且具有不同的優(yōu)先級(jí)來保證緊急任務(wù)及時(shí)響應(yīng)，從而有效地對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由操作系統(tǒng)和一系列用戶應(yīng)用程序構(gòu)成。
　　主函數(shù)是程序首先執(zhí)行的一個(gè)函數(shù)，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)的初始化，該函數(shù)永遠(yuǎn)不返回。硬件初始化包括中斷、鍵盤、顯示等初始化；操作系統(tǒng)初始化包括任務(wù)控制塊、事件控制塊的初始化，而且在啟動(dòng)多任務(wù)調(diào)度之前，必須至少創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)。此系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)啟動(dòng)任務(wù)，主要負(fù)責(zé)時(shí)鐘的初始化和啟動(dòng)、中斷的啟動(dòng)、CAN控制器的初始化與啟動(dòng)、端口與IP地址的初始化、RTL8019的初始化與啟動(dòng)，并且對(duì)各個(gè)應(yīng)用任務(wù)進(jìn)行了劃分。在交出CPU的使用權(quán)后，自做空閑處理。
　　(1)任務(wù)的劃分
　　要完成多任務(wù)系統(tǒng)的各種功能，必須對(duì)任務(wù)進(jìn)行劃分。本程序根據(jù)各個(gè)任務(wù)的重要性和實(shí)時(shí)性，把整個(gè)模塊分成7個(gè)具有不同優(yōu)先級(jí)的應(yīng)用任務(wù)，即系統(tǒng)監(jiān)控、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送、鍵盤掃描、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送、協(xié)議轉(zhuǎn)換、LED顯示、系統(tǒng)配置。表1為任務(wù)劃分表。

　　除了7個(gè)主要應(yīng)用任務(wù)外，還有兩個(gè)中斷服務(wù)子程序。一個(gè)是時(shí)鐘節(jié)拍中斷，用于提供周期性信號(hào)源；另一個(gè)是接收中斷，用于把接收到的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)。
　　(2)任務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)
　　任務(wù)劃分后，各任務(wù)便具有獨(dú)立的堆?？臻g，彼此爭(zhēng)奪CPU的使用權(quán)。一旦獲得CPU的使用權(quán)，就會(huì)獨(dú)立運(yùn)行，完成特定的功能。
　　CAN總線通信模塊包括數(shù)據(jù)傳輸和總線管理兩部分。數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)的功能有CAN初始化、CAN報(bào)文發(fā)送和CAN報(bào)文接收。CAN初始化及報(bào)文的接收在啟動(dòng)任務(wù)與中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)，CAN報(bào)文發(fā)送和總線管理作為一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)獨(dú)立運(yùn)行?？偩€管理功能塊的主要功能是總線檢測(cè)，判斷一路總線是否良好。如否，則進(jìn)入另一路總線檢測(cè)；如果冗余總線良好，則采用冗余總線通信。CAN數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)需要系統(tǒng)調(diào)度器通知是否有待發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)入發(fā)送隊(duì)列，任務(wù)的實(shí)現(xiàn)如圖4所示。
　　以太網(wǎng)通信模塊由以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)功能塊和數(shù)據(jù)協(xié)議管理功能塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)的收發(fā)功能塊主要實(shí)現(xiàn)RTL8019的初始化、數(shù)據(jù)報(bào)文的發(fā)送與接收。同理，RTL8019的初始化在系統(tǒng)的啟動(dòng)任務(wù)中實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)的接收在RTL8019的中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)協(xié)議管理主要實(shí)現(xiàn)對(duì)接收數(shù)據(jù)報(bào)文的解析及給待發(fā)送數(shù)據(jù)添加協(xié)議報(bào)頭。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送與協(xié)議管理分別作為獨(dú)立任務(wù)運(yùn)行。

　　以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)同樣需要系統(tǒng)調(diào)度器通知發(fā)送隊(duì)列中是否有待發(fā)送數(shù)據(jù)。若沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則將該任務(wù)掛起，系統(tǒng)運(yùn)行其他任務(wù)。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)主要對(duì)RTL8019進(jìn)行操作，根據(jù)RTL8019的狀態(tài)，將發(fā)送隊(duì)列中數(shù)據(jù)通過DMA傳送到8019的發(fā)送緩沖區(qū)，啟動(dòng)發(fā)送，并根據(jù)發(fā)送結(jié)果對(duì)發(fā)送隊(duì)列指針調(diào)整。
　　以太網(wǎng)協(xié)議管理即協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)在用戶數(shù)據(jù)與8019驅(qū)動(dòng)需要的數(shù)據(jù)報(bào)文之間進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。TCP/IP協(xié)議為四層模型：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層，每層具有不同的功能，并有相應(yīng)的子協(xié)議，層與層之間在邏輯上相互獨(dú)立。在編程時(shí)，可以直接調(diào)用嵌入的TCP/IP協(xié)議的API函數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行分層。該任務(wù)對(duì)從8019傳過來的數(shù)據(jù)處理過程如圖5所示：不同的子協(xié)議具有不同的功能號(hào)，任務(wù)根據(jù)功能號(hào)對(duì)協(xié)議進(jìn)行區(qū)別。將用戶數(shù)據(jù)傳遞給8019驅(qū)動(dòng)的示意圖則為圖5的逆序表示。

　　(3)任務(wù)間的同步與調(diào)度
　　通常多任務(wù)操作系統(tǒng)的任務(wù)不同于一般的函數(shù)，它是一個(gè)無限循環(huán)，而且沒有返回值。如果沒有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，當(dāng)前任務(wù)不會(huì)放棄對(duì)CPU的使用權(quán)。為了實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行和有關(guān)事件的同步，必須正確處理任務(wù)間的通信和事件標(biāo)志的設(shè)置。系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。
　　各任務(wù)具有不同的優(yōu)先級(jí)，通過調(diào)用系統(tǒng)掛起函數(shù)或延時(shí)函數(shù)，可以啟動(dòng)具有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)。高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)(例如1、2、3、4號(hào)任務(wù))由于申請(qǐng)某個(gè)資源而發(fā)生阻塞，進(jìn)入掛起態(tài)。系統(tǒng)調(diào)度器啟動(dòng)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，通過對(duì)延時(shí)參數(shù)的設(shè)置，每隔一定時(shí)鐘節(jié)拍就啟動(dòng)鍵盤掃描或LED顯示任務(wù)。如果其中有任何一事件發(fā)生就啟動(dòng)相關(guān)的任務(wù)。這個(gè)過程通過信號(hào)量的通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)。對(duì)每個(gè)事件分配一個(gè)信號(hào)量，一旦事件發(fā)生就啟動(dòng)信號(hào)量的等待任務(wù)列表中進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)，從而保證任務(wù)與事件同步。