引 言
分布式工業(yè)測控系統(tǒng)需要有現(xiàn)場總線來連接各現(xiàn)場設(shè)備及處理控制單元。CAN總線就是一種具有較高性能價格比、能滿足分布式控制要求的現(xiàn)場總線，具有廣泛的應(yīng)用前景。它實際上是一種簡化型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在構(gòu)造單片處理器網(wǎng)絡(luò)中極為有用。為了使上位機也能和CAN總線相連，使微機成為系統(tǒng)的上位機，增強控制系統(tǒng)的功能，從而進(jìn)一步延伸CAN總線連通范圍，就需要提供一個微機和CAN總線的接口。本文介紹作者設(shè)計制作的一種CAN總線PC I適配器。
接口的硬件設(shè)計
PCI接口的實現(xiàn)
目前市面上有些CAN總線的適配器，但大多都是基于PC/104或者ISA總線，傳輸速度較慢，效率低下。作者在設(shè)計中使用高效的PCI總線，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸。與ISA總線相比較，PCI總線具有如下特點： ①傳輸速度高。PCI總線寬度為32位(可擴展為64 位)。時鐘頻率為0～33MHz。并且支持突發(fā)傳送，傳輸速度可以達(dá)到132Mb/s。相比較， ISA總線寬度為8/16位，時鐘頻率為132Mb/s。相比較， ISA總線為8位/16位，時鐘頻率為8MHz，不支持突發(fā)傳送，傳輸速率僅為8Mb/s；②即插即用。PC I實現(xiàn)了真正的即插即用。系統(tǒng)可以實現(xiàn)對PCI設(shè)備的自動配置；③生命周期長。PCI總線與處理器無關(guān)(通過橋或直接集成) ，可支持多種系列處理器，包括將來會出現(xiàn)的新一代處理器。
由于PCI總線規(guī)范十分復(fù)雜，其接口設(shè)計難度較大，但目前有許多廠商提供了專用的PCI接口芯片。這些接口芯片大多對PCI總線規(guī)范2.1、2.2版完全兼容，從而大大減輕了PC I板卡設(shè)計的工作量。PCI設(shè)備可以分為主模式和從模式。主模式可以執(zhí)行DMA操作，而從模式只可以執(zhí)行讀寫操作。根據(jù)PCI提供的傳輸數(shù)據(jù)帶寬(最大132Mb/s) 和CAN總線(最大1Mbps)的要求，加上經(jīng)濟和開發(fā)難度與周期上的考慮(主模式橋芯片較昂貴，開發(fā)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(shù)據(jù)的需要。此外，選擇芯片不僅考慮性能和經(jīng)濟上的要求，而且還需要考慮硬件開發(fā)和驅(qū)動程序開發(fā)的難易。如不提供足夠的芯片說明和應(yīng)用樣例及開發(fā)工具，將大大增加開發(fā)難度和延長開發(fā)周期。這里我們采用PLX公司的PCI總線目標(biāo)接口芯片PCI9052作為CAN總線適配器的PCI總線接口芯片，負(fù)責(zé)與計算機之間的數(shù)據(jù)通信。9052是PLX公司開發(fā)的低價格PC I總線從模式接口芯片，低功耗，符合PCI2.1規(guī)范，提供的局部總線可通過編程設(shè)置為8/16/32位的(非)復(fù)用總線。
CAN總線接口的實現(xiàn)
CAN總線之所以在國內(nèi)乃至全球范圍內(nèi)一直保持高速發(fā)展，完全取決于其卓越的性能。CAN總線主要應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，隨著集成工藝的發(fā)展和成本的降低，被越來越多的控制領(lǐng)域內(nèi)的軟硬件工程師所接受，廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)的控制領(lǐng)域網(wǎng)中。其主要性能指標(biāo)如下： ①多站仲裁結(jié)構(gòu)(分地址優(yōu)先級，非破壞方式仲裁) ；②支持主從廣播方式；③不加任何擴展最多110個節(jié)點；④最高通信速率1Mbps，最遠(yuǎn)通信距離5km；⑤通常CAN控制器內(nèi)部設(shè)有接收和發(fā)送緩沖；⑥通信以幀為單位，最多8個字節(jié)的數(shù)據(jù)；⑦硬件自動進(jìn)行16 位CRC校驗；⑧具有極強的總線和通信錯誤的管理能力。
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，本卡采用SJA1000。SJA1000支持基本AN(BisicCAN)和增強CAN(PeliCAN)兩種工作模式，支持具有新功能的CAN2.0B協(xié)議規(guī)范。具有FIFO、支持熱插拔等功能，不但可以實現(xiàn)CAN總線接口功能，而且芯片可以根據(jù)晶振的頻率，輸出可編程的信號CLKOUT，該信號正好可作為PCI9052局部總線的總線頻率，節(jié)省了器件，方便了設(shè)計。CAN總線的總線頻率可為12MHz、6MHz或24MHz， PCI9052自動實現(xiàn)局部總線與PCI總線的訪問同步。CAN總線收發(fā)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(fā)送和接收能力，具有抗瞬間干擾、保護(hù)總線的能力，可以通過調(diào)整CAN總線上通訊脈沖的邊沿斜率來降低射頻干擾。其速度可以達(dá)到1Mbps，最多節(jié)點數(shù)可以達(dá)到110個。
地址譯碼和邏輯控制是由EPM7064S完成的。EPM7064S是ALTERA 出品的MAX7000系列的一種。它主要實現(xiàn)兩路獨立的CAN總線通道的地址譯碼、實現(xiàn)控制信號的驅(qū)動和電平轉(zhuǎn)換。通過EPM7064S可以提高系統(tǒng)的可靠性，縮小板卡的尺寸，方便以后板卡功能的擴展。為了在每個CAN總線通道出現(xiàn)故障時能夠重新初始化，在接口卡中使用了兩片復(fù)位芯片MAX811。由EPM7064S產(chǎn)生控制信號， 當(dāng)CAN總線通道出現(xiàn)異常時， 控制MAX811復(fù)位SJA1000控制器。其總線接口原理圖如圖1所示。
PCI為每一個PCI設(shè)備提供了一個配置空間來實現(xiàn)設(shè)備的即插即用(PnP)。在PC機上電自檢時，配置軟件掃描PCI總線，檢測所有的PCI設(shè)備，讀取配置信息，并為每一個PC I設(shè)備分配系統(tǒng)資源，實現(xiàn)PCI設(shè)備的即插即用。每一個PCI功能設(shè)備都有一個64個雙字的配置空間，以特定的格式存儲設(shè)備支持的功能。PCI協(xié)議定義了開頭的16個雙字的格式和用途，稱為設(shè)備的配置頭區(qū)域。其它48個雙字是設(shè)備特定的。CAN卡的硬件資源為映射SJA1000內(nèi)部寄存器的內(nèi)存映射空間和一個中斷源。
PCI9052提供了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位地址空間。同時設(shè)置相應(yīng)的初始化， PCI配置寄存器中的寄存器PCIBAR2設(shè)置為0XFFFFFFE0，向系統(tǒng)請求分配內(nèi)存的數(shù)量為32，類型為不可預(yù)讀，其它寄存器的值可設(shè)置為0。設(shè)置局部地址空間的范圍為0X00000000～0X00000020。對中斷的配置是把PCI中斷請求線分配到系統(tǒng)的某一ISA 中斷請求(IRQ)線上。在本控制卡中利用一塊串行EEPROM(93C46B)存放控制卡的PCI配置信息。上電后訪問93C46B，實現(xiàn)本控制卡的自動配置。
圖1 總線接口原理圖
接口的軟件設(shè)計
軟件的設(shè)計包括PCI驅(qū)動程序的設(shè)計和COM組件的設(shè)計。由于PC I設(shè)備的中斷、I/O端口、映射內(nèi)存等資源都是動態(tài)分配的，必須編寫驅(qū)動程序管理硬件，才能供用戶編程使用。CAN卡驅(qū)動程序的開發(fā)工具采用WINDRIVER。由于CAN卡上沒有微控制器，因此對總線端口的所有操作都是由驅(qū)動程序來完成的。這不僅可以由計算機來實現(xiàn)復(fù)雜的功能，例如，錯誤檢測、斷點續(xù)傳等，同時節(jié)省了硬件，而且有利于卡的升級——只要更換驅(qū)動程序即可。驅(qū)動程序的功能主要是配置SJA1000的接口、收發(fā)CAN總線上的數(shù)據(jù)、對總線進(jìn)行實時監(jiān)測、接收用戶程序的收發(fā)命令。收發(fā)數(shù)據(jù)和CAN總線錯誤均采用中斷處理，驅(qū)動程序可以快速響應(yīng)，通過事件(Event)內(nèi)核對象直接通知給用戶程序。CAN總線通信適配器的初始化是CAN總線設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，也是設(shè)計的難點。在其初始化過程中需要設(shè)置的參數(shù)有時鐘、總線配置、標(biāo)志標(biāo)識符屏蔽段、擴展標(biāo)識符屏蔽段、信息塊、定時器0、定時器1、信息塊的控制段、信息塊的工作方式等。CAN總線適配器簡化流程圖如圖2所示。
圖 2 CAN總線適配器簡化流程圖
結(jié) 論
本文設(shè)計的CAN總線適配器結(jié)構(gòu)簡單,可用于分布的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。在WIN2000下經(jīng)過長時間的運行測試,運行穩(wěn)定可靠。它可以適應(yīng)不同的傳輸速率和距離,有效保證了工業(yè)過程監(jiān)控的實時性,同時也減輕了上位機的工作負(fù)擔(dān),滿足不同的用戶要求。在不同柵偏壓和分布參數(shù)條件下為芯片ESD保護(hù)的SNTSCR的I-V特性在CMOS工藝中已經(jīng)詳細(xì)講述過。SNTSCR可以在小區(qū)域內(nèi)保持高的ESD電平對于現(xiàn)代高集成科學(xué)很有吸引力。不采用厚柵氧化層，一般小于0.25μmCMOS工藝中， SNTSCR在有效保護(hù)混合電壓接口電路免于ESD破壞時充分兼容。
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