|
現場總線CAN(Controller Area Network控制器局域網絡)以其高性能、高可靠性及獨特的設計，越來越受到人們的重視和青睞，不但在汽車行業中應用廣泛，而且在工業控制、機器人、醫療器械、傳感器等領域發展迅速。為了擴展CAN總線的功能，與計算機相連，可設計具有CAN接口和PC接口的CAN適配卡，用來收集CAN總線上各個節點的信息，轉發給PC機，并可將PC機的命令和數據轉發給各個節點以及完成對CAN總線上的用戶系統的部分監控和管理工作。 PCI總線是Intel公司推出的一種先進的高性能32/64位局部總線，可同時支持多組外圍設備，不受制于處理器，數據吞吐量大 (33MHz總線頻率、32位傳輸時峰值可高達132MB/s)。目前PCI是處于主流的計算機總線。以往的CAN卡一般都是基于ISA總線的，由于ISA總線傳輸速率低，CAN卡必須增加中繼控制功能，才能夠適應CAN的高速傳輸，導致造價高、體積大、傳輸速率低，不利于CAN總線的推廣應用。由于PCI總線傳輸速度快，而且支持熱插拔、電源管理等功能，不但能滿足CAN總線的高速數據傳輸，性能高、功能強，而且體積小、價格低、使用方便、應用范圍廣。 CAN卡的設計包括硬件設計和軟件設計。 1 硬件設計 PCI總線是一種獨立于CPU的局部總線，不同于傳統的ISA總線。由于PCI總線規范定義了嚴格的電氣特性和時序要求，開發難度比ISA總線的開發難度大。實現PCI接口的方案一般有兩種：采用可編程邏輯器件和專用總線接口器件。采用可編程邏輯器件實現PCI接口的最大好處是比較靈活，可把PCI時序模塊和功能模塊結合在一起，可以利用的器件也比較多(如Altera公司的CPLD器件、Xilinx公司的FPGA器件等)，還可以購買由廠家提供的用VHDL、AHDL等硬件描述語言編制的PCI核心設計模塊，但其設計難度還是很高，因為PCI總線對負載要求、傳輸數據的建立時間的要求都比較苛刻，同時還需要器件內部實現用于配置的各類寄存器，以及完成邏輯校驗、地址譯碼等工作的寄存器(大致需要15000個門電路)。此外，還需加入FIFO、用戶寄存器組和后端設備接口等部分。設計這種PCI總線接口會導致將大量的人力、物力投入到復雜的邏輯驗證和時序分析的工作上，開發周期較長。采用專用接口器件雖然沒有采用可編程邏輯器件那么靈活，但能夠有效地降低接口設計的難度，縮短開發時間。專用接口器件具有較低的成本和很高的通用性，能夠優化數據傳輸，提供配置空間，具備用于突發傳輸功能的片內FIFO，提供擴展局部總線等優點，并且許多公司還提供配套的開發工具?例如評估板或驅動程序開發軟件?，使用很方便，開發周期短。目前市場上常見的有PLX、AMCC、Cypress等公司的PCI橋芯片，各個型號的PCI接口芯片的大致特點如表1所示。 表1 各公司PCI接口芯片
PCI設備可分為主模式和從模式。主模式橋芯片可以進行DMA操作，而從模式只能接受讀寫操作。根據PCI提供的傳輸數據帶寬(最大132MB/s)和CAN總線(最大1Mbps)的要求，加上經濟和開發難度與周期上的考慮(主模式橋芯片較昂貴，開發難度較大)，又因不需要DMA功能，采用從模式橋芯片足以滿足傳輸數據的需要。此外，選擇芯片不僅考慮性能和經濟上的要求，而且還需要考慮硬件開發和驅動程序開發的難易。如果不提供足夠的芯片說明和應用樣例及開發工具，將大大增加開發難度和延長開發周期。因此，采用PLX公司的PCI總線目標接口芯片PCI9052作為CAN卡中的PCI接口芯片，負責與計算機之間的數據通信。 PCI9052是PLX公司開發的低價格PCI總線從模式接口芯片，低功耗，符合PCI2.1規范，提供的局部總線(Local Bus)可通過編程設置為8/16/32位的(非)復用總線。其主要特點有： (1)直接數據轉換模式 PCI9052支持PCI到Local Bus的內存映射和I/O映射的突發讀寫。 (2)ISA接口邏輯 PCI9052支持通過8/16位內存映射或I/O映射從PCI到ISA總線的單周期讀、寫訪問。方便從ISA卡向PCI卡的轉換。 (3)中斷產生器 由Local Bus的兩個中斷信號可以產生一個PCI中斷信號：INTA#。 (4)局部總線 PCI9052提供的局部總線不但可編程，而且與PCI總線的時鐘相互獨立運行，可實現異步操作，總線操作自動實現時序同步。兩總線的異步運行方便了高、低速設備的兼容。局部的運行時鐘頻率范圍0~40MHz、TTL電平，可由PCI提供或由用戶自行提供；PCI的運行時鐘頻率范圍0~33MHz。 (5)串行EEPROM 用于存放PCI BUS和Local Bus的部分配置信息。 (6)4個局部設備片選 基址和地址范圍可以由串行EEPROM或主控設備進行設置。 (7)5個局部地址空間 基址和地址范圍及其映射可以由串行EEPROM或主控設備進行設置。 (8)Big/Little Endian模式的字節交換 適合不同計算機體系。 (9)局部總線等待狀態 除了等待信號LRDYi#用于握手之外，PCI9052還有一個內部等待產生器(包括地址到數據周期、數據到數據周期和數據到地址周期的等待)。 (10)延遲讀模式 PCI9052支持PCI2.1規范的延遲讀模式。 (11)FIFO PCI9052包括一個64Byte的寫FIFO和一個32Byte的讀FIFO，從而支持預取模式、即突發操作。 (12)PCI鎖定機制 主控設備可以通過鎖定信號占有對PCI9052的唯一訪問權。 由于CAN總線的迅猛發展，許多芯片廠商開發了很多系列的CAN通信控制器芯片。如表2所示。 表2 主要CAN總線芯片
由于PCI9052可以啟動局部總線的讀寫，CAN卡不再需要微控制器，采用CAN通信控制器即可，本CAN卡采用SJA1000。SJA1000支持BasicCAN和PeliCAN模式，具有FIFO、支持熱插拔等功能，不但可以實現CAN總線接口功能，而且芯片可以根據晶振的頻率，輸出可編程的CLKOUT信號，該信號正好可作為PCI9052的局部總線的總線頻率，節省了器件，方便了設計。CAN總線的總線頻率可為12MHz、16MHz或24MHz，PCI9052自動實現局部總線與PCI總線的訪問同步。CAN總線收發器采用82C250。該芯片是CAN總線控制器和物理總線的接口，可以提供對CAN總線的差動發送和接受能力，具有抗瞬間干擾、保護總線的能力，可以通過調整CAN總線上通訊脈沖的邊沿斜率來降低射頻干擾。 由于PCI設備在計算機中的硬件資源是系統動態分配的，因此在設計出基本的硬件框架后，要進行PCI配置設計。CAN卡的硬件資源為映射SJA1000內部寄存器的內存映射空間和一個中斷源。PCI9052提供5個局部地址空間，可以選用其中的一個作為SJA1000的地址空間，分配32個8位地址。同時設置相應的初始化，PCI配置寄存器中的寄存器PCIBAR2設置為0XFFFFFFE0，向系統請求分配內存的數量為32，類型為不可預讀，其它寄存器的值可設置為0。設置局部地址空間的范圍為0X00000000~0X00000020。PCI9052提供2個局部中斷源，利用LINTi1即可，注意的是：LINTi1信號線沒有驅動能力，SJA1000的INT引腳也沒有驅動能力，因此該信號線必須加上拉電阻，否則該信號線的電平不確定，工作肯定不正常。SJA1000提供電平觸發中斷信號，因此PCI9052的中斷觸發模式設置為電平觸發。利用PCI9052的局部設備片選CS0#作為SJA1000的片選信號。CS0#片選信號的起始地址和地址范圍由CS0 Base Address寄存器設置，值為0X00000002。另外，PCI9052的LRDYi#信號為局部總線數據準備信號，SJA1000的寄存器地址映射成地址，數據傳輸不存在延遲等待，因此LRDYi#引腳可接地，表示SJA1000的寄存器總是立即可讀寫。PCI9052寄存器的初始值由串行EEPROM提供，在PCI9052加電后讀取。EEPROM必須采用支持連讀功能的芯片，本設計采用Microchip的92LC46B。用PLX公司提供的開發工具PlxMon可對90LC46B進行讀寫。 PCI9052的硬件調試可采用PlxMon。利用它可以對PCI設備的配置資源進行檢驗。利用PLX提供的SDK，可以對PCI9052的局部寄存器、局部總線及EEPROM進行讀寫，這樣可以調試硬件。借助開發工具，不必開發PCI設備的調試軟件，可節省很多時間。同時，SDK也為驅動程序的開發提供了程序框架，加快了開發進度。 CAN卡的電路框圖如圖1所示。 2 軟件設計 軟件設計包括驅動程序的設計和COM組件程序設計。 由于PCI設備的中斷、I/O端口、映射內存等資源都是動態分配的，必須編寫驅動程序管理硬件，才能供用戶編程使用。為了通用性和兼容性，CAN卡驅動程序的開發采用支持Windows XP、Windows2000和Windows98的WDM驅動程序。開發工具采用Visual C++6.0和Win2000 DDK。由于CAN卡上沒有微控制器，因此對CAN總線端口的所有操作都是由驅動程序來完成的。這不僅可以由計算機來實現復雜的功能，例如，錯誤檢測、斷點續傳等，同時節省了硬件，而且有利于CAN卡的升級--只要更換驅動程序即可。驅動程序的功能主要是配置SJA1000的CAN接口、收發CAN總線上的數據、對CAN總線進行實時監測、接收用戶程序的收發命令。收發數據和ＣＡＮ總線錯誤均采用中斷處理，驅動程序可以快速響應，通過事件(Event)內核對象直接通知給用戶程序。由于WDM驅動程序運行在系統的內核態，編寫非常復雜，限于篇幅，僅給出軟件的框圖(見圖2)。 為了方便用戶的使用，還應編寫相應的API函數或ActiveX控件等其它應用層的程序提供給用戶。由于ActiveX控件基于先進的COM技術，具有良好的封裝性、使用靈活性等特點，可使用戶編程簡單、方便，因此在CAN卡的設計中編寫了ActiveX控件。ActiveX控件負責與驅動程序的通信，通過控件的事件把CAN卡接收的數據通知給用戶程序，利用控件的屬性設置CAN通信控制器，按照設置的方法發送用戶程序的數據。 根據以上的設計，開發了名為Can1000的CAN卡。經使用證明，該卡設計簡單明了、性能較高、成本低廉、驅動程序和ActiveX控件使用方便，達到了設計和用戶的要求。 |
