PCI9052在多功能CAN適配卡中的應(yīng)用研究

0 引言

PCI總線是一種獨(dú)立于CPU的局部總線，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)PCI接口的好處是比較靈活，但其設(shè)計(jì)難度很高，因?yàn)镻CI總線對(duì)負(fù)載要求、傳輸數(shù)據(jù)的建立時(shí)間的要求都比較苛刻，同時(shí)還需要器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)用于配置的各類寄存器，以及完成邏輯校驗(yàn)、地址譯碼等工作的寄存器。此外，還需加入FIFO、用戶寄存器組和后端設(shè)備接口等部分。設(shè)計(jì)這種PCI總線接口會(huì)導(dǎo)致將大量的人力、物力投入到復(fù)雜的邏輯驗(yàn)證和時(shí)序分析的工作上，開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)。采用專用接口器件雖然沒(méi)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(shè)計(jì)的難度，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。專用接口器件具有較低的成本和很高的通用性，能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸，提供配置空間，具備用于突發(fā)傳輸功能的片內(nèi)FIFO，提供擴(kuò)展局部總線等優(yōu)點(diǎn)，并且許多公司還提供配套的開(kāi)發(fā)工具，使用很方便，開(kāi)發(fā)周期短。 PCI9052是PLX公司開(kāi)發(fā)的低價(jià)格PCI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(Local Bus)可通過(guò)編程設(shè)置為8/16/32位的(非)復(fù)用總線。PCI9052提供的局部總線不但可編程，而且與PCI總線的時(shí)鐘相互獨(dú)立運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)異步操作，總線操作自動(dòng)實(shí)現(xiàn)時(shí)序同步。兩總線的異步運(yùn)行方便了高、低速設(shè)備的兼容。

1 硬件設(shè)計(jì)

為了充分利用硬件的有用資源，該多功能適配卡不僅要實(shí)現(xiàn)與CAN總線進(jìn)行通信，還具有A/D、D/A及I/O功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN通信和數(shù)據(jù)采集等功能。PCI9052有5個(gè)地址映射空間，要實(shí)現(xiàn)這些功能，通過(guò)PCI9052來(lái)連接是能夠滿足要求的。I/O采用IO映射空間，CAN、A/D和D/A采用Memory地址映射空間，也可都采用Memory方式，這些地址空間的配置是在EEPROM中進(jìn)行配置的。根據(jù)采樣精度要求，A/D芯片采用的是16位單通道并行通信的AD976芯片，轉(zhuǎn)換時(shí)間10us，為了實(shí)現(xiàn)多通道輸入，須在模擬輸入端加一多路開(kāi)關(guān)MAX308ESE。D/A芯片采用的是16位8通道芯片DAC7644E，轉(zhuǎn)換時(shí)間10us。CAN控制芯片采用PHLIPS的SJA1000，同時(shí)須接一CAN驅(qū)動(dòng)芯片82C250。另外，PCI9052需要一片EEPROM芯片用來(lái)存儲(chǔ)PCI9052的初始化配置參數(shù)。可與PCI9052匹配的芯片有Microchip Technology 1K 93AA46、93C46B、93LC46B，還有其他廠商的。在選擇EEPROM時(shí)一定可參考PCI9052的推薦說(shuō)明，這里采用的是1K的93LC46B。其原理結(jié)構(gòu)如圖1：

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2  軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)包括WDM驅(qū)動(dòng)程序、API接口函數(shù)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，這里主要介紹驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。對(duì)于WDM驅(qū)動(dòng)程序，要獲得正確的地址分配值，必須正確地設(shè)置配置參數(shù)，9052內(nèi)部的配置寄存器是通過(guò)外部串行E2PROM上電加載的。9052會(huì)自動(dòng)根據(jù)該E2PROM的狀態(tài)來(lái)決定其內(nèi)部寄存器的值。如果E2PROM不存在（此時(shí)E2PROM和9052連接的數(shù)據(jù)引腳應(yīng)加上拉電阻或其內(nèi)部無(wú)有效值，9052會(huì)將其內(nèi)部寄存器配置為缺省值。值得一提的是，如果E2PROM內(nèi)部沒(méi)有燒寫(xiě)為有效值時(shí)，應(yīng)保證其開(kāi)始48位為全“1”；否則，系統(tǒng)上電時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。9052有5個(gè)本地空間，用戶可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行相應(yīng)的配置。當(dāng)將本地空間配置成I/O時(shí)，對(duì)該空間的讀/寫(xiě)操作只能單次進(jìn)行。配置成存儲(chǔ)器空間，用戶會(huì)有多種接入模式，可大大提高接入速度。
該多功能設(shè)配卡驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)采用支持Windows2000的WDM驅(qū)動(dòng)程序。開(kāi)發(fā)工具采用Visual C++6.0、Win2000 DDK及DriverStudio2.7。采用DriverStudio向?qū)Чぞ呱沈?qū)動(dòng)程序框架和調(diào)試程序，在利用向?qū)r(shí)需正確填寫(xiě)PCI Vendor ID和PCI Device ID，否則，在安裝驅(qū)動(dòng)程序時(shí)查找不到正確的硬件設(shè)備，導(dǎo)致無(wú)法安裝驅(qū)動(dòng)。
由于WDM驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)，編寫(xiě)非常復(fù)雜，在應(yīng)用程序和硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換中，可以采用幾種方式進(jìn)行通信：I/O控制方式、直接讀寫(xiě)方式、中斷方式和DMA方式。由于CAN總線的最高速率是1Mbps，所以我們采用IO控制操作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送，在驅(qū)動(dòng)程序派遣例程中實(shí)現(xiàn)這些操作，在API函數(shù)中提供這些操作的接口，應(yīng)用程序可使用標(biāo)準(zhǔn)Win32 API函數(shù)DeviceIoControl來(lái)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，也可以采用DriverStudio向?qū)Чぞ弋a(chǎn)生的DeviceControl來(lái)操作，在這里我們將它集成到對(duì)應(yīng)的API函數(shù)里，生成相應(yīng)的靜態(tài)庫(kù)或者動(dòng)態(tài)連接庫(kù)的形式提供給應(yīng)用程序。    定義了7個(gè)IO控制代碼：
IOCTL_HIL100_READ_IO_DATA（用于讀I/O口數(shù)據(jù)）
IOCTL_HIL100_READ_AD_DATA（用于讀AD數(shù)據(jù)）
IOCTL_HIL100_READ_DA_DATA （用于讀DA數(shù)據(jù)）
IOCTL_HIL100_READ_CAN_DATA（用于讀CAN數(shù)據(jù)）
IOCTL_HIL100_WRITE_IO_DATA（用于寫(xiě)I/O口數(shù)據(jù)）
IOCTL_HIL100_WRITE_DA_DATA（用于寫(xiě)DA數(shù)據(jù)）
IOCTL_HIL100_WRITE_CAN_DATA（用于寫(xiě)CAN數(shù)據(jù)）
這些控制代碼在驅(qū)動(dòng)程序的DeviceControl(KIrp I)函數(shù)中調(diào)用，如下程序所示：
NTSTATUS PCIDriverDevice::DeviceControl(KIrp I)
{
 NTSTATUS status;
switch (I.IoctlCode())
 {
       ………………………………………
  case IOCTL_HIL100_READ_IO_DATA:
      status = IOCTL_HIL100_READ_IO_DATA _Handler(I);
     case IOCTL_HIL100_WRITE_IO_DATA:
         status = IOCTL_HIL100_WRITE_IO_DATA _Handler(I); 
  case IOCTL_HIL100_WRITE_DA_DATA:
        status = IOCTL_HIL100_WRITE_DA_DATA _Handler(I);
     case IOCTL_HIL100_READ_AD_DATA:
     status = IOCTL_HIL100_READ_AD_DATA _Handler(I);
     default:
  status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
  break;
 }
 ………………………….
 }
在該函數(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與傳遞，包括從內(nèi)存中讀上層應(yīng)用程序發(fā)送下來(lái)的數(shù)據(jù)或?qū)D、CAN等外設(shè)傳遞上來(lái)的數(shù)據(jù)送到上層應(yīng)用程序。
API函數(shù)主要提供了PCI卡的開(kāi)關(guān)，A/D、D/A、I/O的讀寫(xiě)函數(shù)，CAN的設(shè)置、讀寫(xiě)，中斷事件消息函數(shù)等。API函數(shù)與以上控制代碼相關(guān)聯(lián)，傳遞數(shù)據(jù)和控制參數(shù)。如下程序所示：
bool WriteDataToIO(unsigned char data)    //寫(xiě)數(shù)據(jù)到IO口
{
    ……
 ULONG BytesReturned;
    if (!DeviceIoControl(hHIL100, IOCTL_HIL100_WRITE_IO_DATA, &data, 1,
  NULL, 0, &BytesReturned, NULL))
……
}
bool ReadDataFromIO(unsigned char *data) //從IO口讀數(shù)據(jù)
{
 ……
 ULONG BytesReturned;
 if (!DeviceIoControl(hHIL100, IOCTL_HIL100_READ_IO_DATA, &data, 1,
  data, 1, &BytesReturned, NULL))
 ……
}
bool WriteDataToDA(unsigned short control,unsigned short freq[4])//寫(xiě)數(shù)據(jù)到AD
{
 ……
 ULONG BytesReturned;
 unsigned short pData[16];
 pData[0]=control;
 pData[1]=freq[0];
 pData[2]=freq[1];
 pData[3]=freq[2];
 pData[4]=freq[3];
    if (!DeviceIoControl(hHIL100, IOCTL_HIL100_WRITE_DA_DATA, pData, 10,
  NULL, 0, &BytesReturned, NULL))
 ……
}
bool ReadDataFromAD(unsigned short address[8],unsigned short data[8])
{                                                               //從AD讀數(shù)據(jù)
 ……
 ULONG BytesReturned;
 if (!DeviceIoControl(hHIL100, IOCTL_HIL100_READ_AD_DATA,address,16,
  &data,16, &BytesReturned, NULL))
 ……
}
bool ReadDataFromDA (unsigned char address,unsigned short *data)//從DA讀數(shù)據(jù)
{
 ……
 ULONG BytesReturned;
 if (!DeviceIoControl(hHIL100, IOCTL_HIL100_READ_DA1_DATA,&address,1,
  data, 2, &BytesReturned, NULL))
 ……
}
將這些接口函數(shù)生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式，供上層應(yīng)用程序調(diào)用。
3   結(jié)束語(yǔ)
由于PCI總線的高速特性，使其被廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)中，有效地解決了實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)等問(wèn)題。而PCI總線控制器專用芯片的出現(xiàn)則縮短了PCI總線硬件設(shè)備的開(kāi)發(fā)周期，使得硬件設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性都有了較大的提高。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，尤其對(duì)于高速采樣及實(shí)時(shí)嚴(yán)格的系統(tǒng)，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)該系統(tǒng)高效率的操作特性，該研究有效的解決了高速實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)等的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。同時(shí)該P(yáng)CI多功能CAN適配卡既實(shí)現(xiàn)了CAN總線通信功能，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了多路通道的數(shù)據(jù)采集和相應(yīng)控制。
3 本文的創(chuàng)新觀點(diǎn)
1) 本文將API函數(shù)與控制代碼建立起關(guān)聯(lián)
2) 本文將應(yīng)用程序集成到對(duì)應(yīng)的API函數(shù)里