CN101145054A - 一种基于32位微控制器的控制局域网转接模块 - Google Patents

Abstract

一种基于32位微控制器的控制局域网转接模块涉及电厂ECS(电气控制系统)或变电站综合自动化系统中的CAN(控制局域网)转接模块，特别是用于通信管理机中基于32位微控制器的控制局域网转接模块。该模块中32位微控制器最小系统控制电路(1)的串行通信接口分别与串行通信控制电路(3)中的串行通信接口相接，32位微控制器最小系统控制电路(1)的以太网通信口与以太网通信控制电路(2)相接，32位微控制器最小系统控制电路(1)通过地址、数据、控制总线与复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路(4)相接，复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路通过地址、数据、控制总线与CAN控制及接口电路(5)相接，CAN控制及接口电路的出口接外部的CAN通讯网络。

Description

一种基于32位微控制器的控制局域网转接模块

技术领域

本发明涉及电厂ECS(电气控制系统)或变电站综合自动化系统中的CAN(控制局域网)转接模块，特别是用于通信管理机中基于32位微控制器的控制局域网转接模块。

背景技术

当前，在电厂ECS系统或变电站综合自动化系统中，CAN网络已经得到了广泛的应用，因而CAN接口模块的使用较为普遍。市面上较为常见的CAN接口模块可以分为两大类：一类是非智能模块，即模块本身没有微控制器(MCU)，通过必要的连接方式与其它MCU相连，从而实现其控制；另一类是智能接口模块，即接口模块本身带有MCU，具有数据处理能力，还能实现其他功能，也可以通过其它方式与主控MCU实现通信，不占用主控MCU资源。

在通信管理机的应用中，要求用到多个串行通信端口和以太网通信端口。很多种类的扩展通信模块本身没有CPU(中央控制器)控制，属于非智能模块通信模块，通信管理机中的主CPU必须通过总线的访问来控制这些扩展模块，但是当系统要求更多的串行通信及以太网通信端口时，就加大了对通信管理机主控CPU资源的需求，例如常见的通过PC104的ISA(工业标准结构)总线进行扩展的方式，受ISA总线固有的中断等资源的限制，这种ISA总线扩展式的应用程度已接近饱和。

相比之下，智能型控制局域网CAN转接模块多用于要求多通信端口的应用场合，然而常见的此类模块的技术方案大部分是采用8位或16位单片机加之扩展CAN专用控制芯片。此类微控制器多数本身具有地址数据分时复用功能，容易实现与CAN控制芯片的接口，但由于这些MCU的工作频率较低，所以使系统的通讯效率受到了限制；而对于个别采用32位微控制器的接口模块，由于其地址和数据为并行总线，加之受CAN控制芯片限制，多数采用总线多次读写控制，即采用多条指令完成一次完整CAN控制芯片读写的控制方式，影响了对CAN控制芯片的读写效率，进而降低了整个系统的通讯速率。特别是对于采用32位微控制器的接口模块，微控制器的工作电压一般为3.3V，而常用的CAN控制芯片一般为5V，所以存在电平匹配的问题，常见采用增加专用电平转换芯片的方法，但增加了PCB(印制电路板)面积，同时也增加了产品的成本。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种基于32位微控制器的控制局域网转接模块，使用基于ARM(高级精简指令集微处理器)内核的32位微控制器来实现数据的处理，提高整个系统的处理速度。

本发明的另一目的在于通过32位微控制器来提供4路串行通信与以太网通信端口的扩展，快速的实现CAN网络数据与串行通信网络之间，以及CAN网络数据与以太网通信网络的数据交换。

本发明的又一目的在于提供通过CPLD(复杂可编程逻辑器件)完成CAN接口电平转换控制、信号转换桥控制及时序控制等功能，使32位微控制器的单一指令即可完成对CAN控制芯片的一次完整的读或写操作，提高了CAN接口的读写效率，继而提高通信管理机内部CAN网络的通信速率。

技术方案：本发明的上述目的是这样实现的：基于32位微控制器的控制局域网转接模块包括32位微控制器最小系统控制电路、以太网通信控制电路、串行通信控制电路、复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路、CAN控制及接口电路；其中，32位微控制器最小系统控制电路的串行通信接口分别与串行通信控制电路中的串行通信接口相接，32位微控制器最小系统控制电路的以太网通信口与以太网通信控制电路相接，32位微控制器最小系统控制电路通过地址、数据、控制总线与复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路相接，复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路通过地址、数据、控制总线与CAN控制及接口电路相接，CAN控制及接口电路的出口接外部的CAN通讯网络。

32位微控制器最小系统控制电路主要由基于ARM内核的32位微控制器、FLASH存储器、SDRAM存储器、复位控制电路、电源供给电路及其相应配套的电阻电容器件组成；基于ARM内核的32位微控制器的数据总线与FLASH存储器的数据线互连，基于ARM内核的32位微控制器的地址和控制信号的输出端与FLASH存储器的地址和控制信号输入端相连；基于ARM内核的32位微控制器的数据总线与SDRAM存储器的数据互连，基于ARM内核的32位微控制器的地址和控制信号的输出端与SDRAM存储器的地址和控制信号输入端相连；复位控制电路的输出端接至基于ARM内核的32位微控制器的复位输入端，复位电路的触发端与按键及复杂可编程逻辑器件相连，实现手动复位及系统上电自动复位。

以太网通信控制电路主要由以太网PHY控制芯片、有源晶体振荡器及带有隔离变压器的网络接口端子组成；以太网PHY芯片的输入端与32位微控制器的介质访问控制MAC接口引脚相连，其输出端与带有隔离变压器的网络接口端子相连，有源晶体振荡器的输出端与以太网PHY芯片的时钟输入引脚相连。

串行通信控制电路主要由高速光电隔离芯片、DC/DC隔离电源、RS-232接口控制芯片、RS-485控制芯片、通信方式选择跳线及相应配套的电阻电容器件组成；高速光电隔离芯片的输入端与32位微控制器的串行通信接口引脚相连，高速光电隔离芯片输出端的接收数据信号与接收信号方式选择跳线中间引脚相连，通信方式选择跳线的一端与RS-232接口控制芯片的串行数据引脚相连，另一端与RS-485的串行数据引脚相连，同一时刻通信方式选择跳线只能跳接选择RS-232与RS-485通信方式之一，RS-232与RS-485输出至转换模块的串行通信输出端子。

复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路主要由复杂可编程逻辑器件、JTAG接口电路组成；32位微控制器的地址、数据和控制信号输出与复杂可编程逻辑器件输入相连，复杂可编程逻辑器件的地址、数据和控制信号输出与CAN控制及接口电路中的CAN控制芯片相连，复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路的JTAG测试信号与复杂可编程逻辑器件的JTAG调试引脚连接，复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路实现32位微控制器和CAN控制芯片之间的信号桥梁关系，通过对可编程逻辑器件的编程完成CAN接口电平转换控制、信号转换桥控制及时序控制功能，使32位微控制器的单一指令即可完成对CAN控制芯片的一次完整的读或写操作。

CAN控制及接口电路主要由CAN控制芯片和CAN接口芯片组成；CAN控制芯片的输入端与可编程逻辑器件的输出端连接，CAN控制芯片的输出端与CAN接口芯片的输入端连接，CAN接口芯的输出端到印制板端子，连接至CAN通信网络。

本发明的工作原理是：本控制局域网转接模块配置于在通信管理单元装置内，在VxWorks嵌入式实时操作系统的管理调度下，当通信管理机主控模件将处理的数据发送到CAN总线，本控制局域网转接模块接收到此数据后，通过CPLD进行电平转换、控制信号转换和时序配合控制，然后通知ARM32位微控制器处理，ARM32位微控制器对数据进行处理后，通过串行通信接口、以太网通信接口等发送通信数据到需要控制的某一设备；反之，当串行通信接口、以太网通信接口接收到数据后经由ARM32位微控制器处理，再通过CPLD进行控制，然后通过CAN控制芯片处理发送到CAN网络上，主控模件接收信息后再进行处理。

有益效果：本发明的优点在于采用32位微控制器，工作频率高，数据处理能力强，提高了整个系统的性能指标，同时本实用新型具有以太网通信和RS-232和RS-485通信功能。在32位微控制器的控制下，本实用新型能够实现控制局域网CAN和以太网之间、控制局域网CAN和串行通信网络之间通信数据的自由交换；同样本实用新型采用一片复杂可编程逻辑器件CPLD器件实现了CAN控制电路的电平转换、时序配合及单一指令控制等功能，提高了32位微控制器与CAN芯片的通信效率；且在前述硬件平台的基础上开发了基于VxWorks嵌入式实时操作系统的控制软件，使得本模块具有尺寸小，功耗低，集成度高，可扩展性强等优点，从而加强了CAN网络通信的可靠性，提高了系统的性价比，满足了实际应用的需求。

附图说明

图1是本发明转接模块的32位微控制器最小系统控制电路图；

图2是本发明转接模块的以太网通信控制电路图；

图3是本发明转接模的块串行通信控制电路图；

图4是本发明转接模块的复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路图；

图5是本发明转接模块的CAN控制及接口电路图；

图6是本发明转接模块的电路结构框图。

具体实施方式

该模块包括32位微控制器最小系统控制电路、以太网通信控制电路、串行通信控制电路、复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路、CAN控制及接口电路；其中，32位微控制器最小系统控制电路的串行通信接口分别与串行通信控制电路中的串行通信接口相接，32位微控制器最小系统控制电路的以太网通信接口与以太网通信控制电路相接，32位微控制器最小系统控制电路通过地址、数据、控制总线与复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路相接，复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路通过地址、数据、控制总线与CAN控制及接口由路相接.CAN控制及接口由路的出口接外部的CAN通讯网络。

上述32位微控制器最小系统控制电路主要由基于ARM内核的32位微控制器、FLASH存储器、SDRAM存储器、复位控制电路、电源供给电路及其相应配套的电阻电容器件组成；基于ARM内核的32位微控制器的数据总线与FLASH存储器的数据线互连，基于ARM内核的32位微控制器的地址和控制信号的输出端与FLASH存储器的地址和控制信号输入端相连；基于ARM内核的32位微控制器的数据总线与SDRAM存储器的数据互连，基于ARM内核的32位微控制器的地址和控制信号的输出端与SDRAM存储器的地址和控制信号输入端相连；复位控制电路的输出端接至基于ARM内核的32位微控制器的复位输入端，复位电路的触发端与按键及复杂可编程逻辑器件相连，实现手动复位及系统上电自动复位。

上述以太网通信控制电路主要由以太网PHY(Physical Layer)控制芯片、有源晶体振荡器及带有隔离变压器的组成；以太网PHY芯片的输入端与32位微控制器的介质访问控制MAC(Media Access Control)接口引脚相连，其输出端与带有隔离变压器的网络接口端子相连，有源晶体振荡器的输出端与以太网PHY芯片的时钟输入引脚相连。

上述串行通信控制电路主要由高速光电隔离芯片、DC/DC隔离电源、RS-232接口控制芯片、RS-485控制芯片、通信方式选择跳线及相应配套的电阻电容器件组成；高速光电隔离芯片的输入端与32位微控制器的串行通信接口引脚相连，高速光电隔离芯片输出端的接收数据信号与接收信号方式选择跳线中间引脚相连，通信方式选择跳线的一端与RS-232接口控制芯片的串行数据引脚相连，另一端与RS-485的串行数据引脚相连。同一时刻通信方式选择跳线只能跳接选择RS-232与RS-485通信方式之一，RS-232与RS-485输出至转换模块的串行通信输出端子。

上述复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路主要由复杂可编程逻辑器件、JTAG接口电路组成；32位微控制器的地址、数据和控制信号输出与复杂可编程逻辑器件输入相连，复杂可编程逻辑器件的地址、数据和控制信号输出与CAN控制及接口电路中的CAN控制芯片相连，复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路的JTAG测试信号与复杂可编程逻辑器件的JTAG调试引脚连接，复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路实现32位微控制器和CAN控制芯片之间的信号桥梁关系，通过对可编程逻辑器件的编程完成CAN接口电平转换控制、信号转换桥控制及时序控制功能，使32位微控制器的单一指令即可完成对CAN控制芯片的一次完整的读或写操作。

上述CAN控制及接口电路主要由CAN控制芯片和CAN接口芯片等组成。CAN控制芯片的输入端与可编程逻辑器件的输出端连接，CAN控制芯片的输出端与CAN接口芯片的输入端连接，CAN接口芯片的输出端到印制板端子，连接至CAN通信网络。

下面结合附图及实施例，对本发明作进一步详细的描述。

参见图6，是本发明的电路结构框图，主要包括：32位微控制器最小系统控制电路1、以太网通信控制电路2、串行通信控制电路3、复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路4、CAN控制及接口电路5、加之嵌入式实时操作系统软件，其中，32位微控制器最小系统控制电路1的串行接口分别与串行通信控制电路3中的串行通信接口31～34相接，32位微控制器最小系统控制电路1的以太网通信口与以太网通信控制电路2相接，32位微控制器最小系统控制电路1通过地址、数据、控制总线与复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路4相接，复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路4通过地址、数据、控制总线与CAN控制及接口电路5相接，CAN控制及接口电路5的出口接外部的CAN通讯网络。32位微控制器能过实现控制局域网CAN与串行通信网络之间，及局域网CAN与以太网之间的数据转换及收发。

图1是本发明转接模块32位微控制器最小系统控制电路图，其中U1是的ATMEL公司基于ARM9内核的32位微控制器AT91RM9200芯片，是本实用新型CAN转接模块的核心器件，在主频180MHz时处理能力可达200MIPS(每秒执行百万条指令数)，其自身包含4个UART(通用异步收发器)串口，一个10M/100M网络接口，主要作用是完成对CAN网络、串口的操作，以及规约转换、数据的打包拆包等数据处理；FLASH存储器U2，采用ATMEL的AT49BV320，容量为32MBit；SDRAM存储器U3、U4，选用现代的HY57V281620芯片，容量为128Mbit；低压差稳压器U5、U6，其中低压差稳压器U5为SPX-3.3V为系统提供3.3V电压，低压差稳压器U6为SPX-1.8V，为32位微控制器AT91RM9200芯片U1提供内核供电电压1.8V；U7为复位芯片，选用MAX6316，输入连接至复位按键和复杂可编程逻辑器件控制电路，输出至32位微控制器AT91RM9200芯片U1的复位输入引脚，可以实现手动复位输入和系统上电。上述32位微控制器AT91RM9200的数据、地址、控制控制信号线分别与FLASH存储器U2、SDRAM存储器U3、U4芯片的数据、地址总线和相应的控制信号线相连。上述32位微控制器U1、FLASH存储器U2、SDRAM存储器U3与U4、低压差稳压器U5与U6、复位芯片U7组成了本发明的最小嵌入式系统，是系统能够正常运行的前提。

图2是本发明转接模块的以太网通信控制电路，以太网PHY芯片U8选用DM9161实现以太网的物理层控制，DM9161与32位微控制器U1之间采用MII(MediaIndependent Interface，媒质独立接口)接口，Y3为50MHz的有源晶体振荡器，为32位微控制器U1和网络PHY控制芯片U8提供接口的时钟基准。32位微控制器U1的输出经过电阻、电容匹配后连接至网络接口P2，网络接口P2是具有隔离变压器的标准网络接口，型号为HR911103A，网络接口P2还提供了指示灯，用来指示链路与数据的状态。

图3是本发明转接模块的串行通信控制电路，实现电源隔离及4路RS-232、RS-485串行通信接口电路控制。U13为DC/DC隔离电源DCP010105，将系统的VDD50电源隔离后产生独立的5V电源AIVDD50，提供给光电隔离芯片、RS-485及RS-232芯片，这样防止外部接口的电源影响转接模块的系统电源。U14-U16、U19-U21、U23-25、U28-U30为高速光耦6N137，实现系统串行数据到串行接口芯片的隔离。U17、U22、U26、U31为工业级RS-485接口芯片SN65LBC184，U18、U27为RS-232接口控制芯片MAX232。电路中的跳线用来选择通信方式，可以根据工程实际的应用要求分别设定为RS-485方式或RS-232方式。

图4是本发明转接模块的杂可编程逻辑器件CPLD控制电路采用Xilinx公司的X95108可编程逻辑器件U9来实现，可以通过JTAG编程接口电路下载程序到CPLD内。由于32位微控制器AT91RM9200芯片为3.3V供电，而CAN控制芯片SJA1000为5V供电，所以为了使控制更加可靠，必须增加电平转换，而此CPLD芯片IO为3.3V供电时，其可以接收5V输入，所以可以用其来实现32位微控制器AT91RM9200和CAN的接口的电平转换功能。由于CAN控制芯片SJA1000为数据地址总线复用，而32位微控制器AT91RM9200芯片自身是地址数据并行总线，不带有地址锁存信号，常见方法是采用2次控制来实现对CAN接口芯片的一次完整的读或写控制，而为了提高对CAN控制效率，本实用新型在CPLD中增加了SJA1000的时序配合及转换桥功能，使32位微控制器一条指令即可完成对SJA1000的一次完整控制，提高了通信效率。

图5是本发明转接模块的CAN控制及接口电路，途中CAN控制芯片U10采用Philips公司的SJA1000，其接口芯片U11采用82C250。SJA1000具有基本CAN(BasicCAN)工作模式和增强CAN(PeliCAN)工作模式，其主要特性为：支持CAN2.0B协议扩展，具有64字节接受缓冲器(FIFO型)，支持11位和29位识别码，通信位速率最高可达1Mbits/s，支持多种32位微控制器接口，具有可编程的CAN输出驱动器配置，此芯片是当前应用较为广泛、较为成熟的CAN接口控制芯片。

最后应说明，本发明的实施仅用于说明技术方案而非限制。以上对本实用新型进行了详细说明，使普通技术人员也可以理解，并且其依然可以对本实用新型所揭示的技术方案进行修改或者等同替换。而一切不脱离本实用新型技术方案的精神和范围的修改和替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于32位微控制器的控制局域网转接模块，其特征在于：该模块包括32位微控制器最小系统控制电路(1)、以太网通信控制电路(2)、串行通信控制电路(3)、复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路(4)、CAN控制及接口电路(5)；其中，32位微控制器最小系统控制电路(1)的串行通信接口分别与串行通信控制电路(3)中的串行通信接口相接，32位微控制器最小系统控制电路(1)的以太网通信口与以太网通信控制电路(2)相接，32位微控制器最小系统控制电路(1)通过地址、数据、控制总线与复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路(4)相接，复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路(4)通过地址、数据、控制总线与CAN控制及接口电路(5)相接，CAN控制及接口电路(5)的出口接外部的CAN通讯网络。

2.根据权利要求1所述的一种基于32位微控制器的控制局域网转接模块，其特征在于：32位微控制器最小系统控制电路(1)主要由基于ARM内核的32位微控制器(U1)、FLASH存储器(U2)、SDRAM存储器(U3、U4)、复位控制电路、电源供给电路及其相应配套的电阻电容器件组成；基于ARM内核的32位微控制器(U1)的数据总线与FLASH存储器(U2)的数据线互连，基于ARM内核的32位微控制器(U1)的地址和控制信号的输出端与FLASH存储器(U2)的地址和控制信号输入端相连；基于ARM内核的32位微控制器(U1)的数据总线与SDRAM存储器(U3、U4)的数据互连，基于ARM内核的32位微控制器(U1)的地址和控制信号的输出端与SDRAM存储器(U3、U4)的地址和控制信号输入端相连；复位控制电路的输出端接至基于ARM内核的32位微控制器(U1)的复位输入端，复位电路的触发端与按键及复杂可编程逻辑器件(U9)相连，实现手动复位及系统上电自动复位。

3.根据权利要求1所述的一种基于32位微控制器的控制局域网转接模块，其特征在于：以太网通信控制电路(2)主要由以太网PHY控制芯片(U8)、有源晶体振荡器(Y3)及带有隔离变压器的网络接口端子(P2)组成；以太网PHY芯片(U8)的输入端与32位微控制器(U1)的介质访问控制MAC接口引脚相连，其输出端与带有隔离变压器的网络接口端子(P2)相连，有源晶体振荡器(Y3)的输出端与以太网PHY芯片(U8)的时钟输入引脚相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于32位微控制器的控制局域网转接模块，其特征在于：串行通信控制电路(3)主要由高速光电隔离芯片(U14～U16、U19～U21、U23～U25、U28～U30)、DC/DC隔离电源(U13)、RS-232接口控制芯片(U18、U27)、RS-485控制芯片(U17、U22、U26、U31)、通信方式选择跳线(JP5～JP16)及相应配套的电阻电容器件组成；高速光电隔离芯片的输入端与32位微控制器(U1)的串行通信接口引脚相连，高速光电隔离芯片输出端的接收数据信号与接收信号方式选择跳线(JP5、JP8、JP11、JP14)中间引脚相连，通信方式选择跳线(JP6、JP7、JP9、JP10、JP12、JP13、JP15、JP16)的一端与RS-232接口控制芯片(U18、U27)的串行数据引脚相连，另一端与RS-485(U17、U22、U26、U31)的串行数据引脚相连，同一时刻通信方式选择跳线只能跳接选择RS-232与RS-485通信方式之一，RS-232与RS-485输出至转换模块的串行通信输出端子(P1A、P1B)。

5.根据权利要求1所述的一种基于32位微控制器的控制局域网转接模块，其特征在于：复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路(4)主要由复杂可编程逻辑器件(U9)、JTAG接口电路(JD2)组成；32位微控制器的地址、数据和控制信号输出与复杂可编程逻辑器件(U9)输入相连，复杂可编程逻辑器件(U9)的地址、数据和控制信号输出与CAN控制及接口电路(5)中的CAN控制芯片(U10)相连，复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路(4)的JTAG测试信号与复杂可编程逻辑器件(U9)的JTAG调试引脚连接，复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路(4)实现32位微控制器和CAN控制芯片之间的信号桥梁关系，通过对可编程逻辑器件的编程完成CAN接口电平转换控制、信号转换桥控制及时序控制功能，使32位微控制器的单一指令即可完成对CAN控制芯片的一次完整的读或写操作。

6.根据权利要求1所述的一种基于32位微控制器的控制局域网转接模块，其特征在于：CAN控制及接口电路(5)主要由CAN控制芯片(U10)和CAN接口芯片(U11)组成；CAN控制芯片(U10)的输入端与可编程逻辑器件(U9)的输出端连接，CAN控制芯片(U10)的输出端与CAN接口芯片(U11)的输入端连接，CAN接口芯(U11)的输出端到印制板端子，连接至CAN通信网络。

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