采用雙端口RAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能型高速并行通訊卡的接口設(shè)計(jì)

作者：孫成秀 ， 陶振權(quán) ， 張憲震

雙端口RAM 內(nèi)存直接映象 高速并行傳輸 DLL動(dòng)態(tài)鏈接在集散型控制系統(tǒng)中，一般將計(jì)算機(jī)或工控機(jī)用于終端圖文顯示，數(shù)據(jù)采集處理以及機(jī)對(duì)話接口等方面。計(jì)算機(jī)或工控機(jī)與外部設(shè)備需要建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵚?lián)系。但大量數(shù)據(jù)傳輸，靠通常的串行通訊方式進(jìn)行，必須占用CPU大量的時(shí)間進(jìn)行通訊。一些控制系統(tǒng)往往因?yàn)閭鬏斔俾事鵁o(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，不能滿足系統(tǒng)采集和控制需要。上述問(wèn)題在我們?cè)O(shè)計(jì)的汽車綜合檢測(cè)系統(tǒng)中，得到了較好的解決。系統(tǒng)中采用雙端口RAM技術(shù)設(shè)計(jì)了一塊PC總線接口的智能型高速并行通訊卡（以下簡(jiǎn)稱通訊卡），實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)同計(jì)算機(jī)高速并行通訊。由卡上的MCU負(fù)責(zé)分機(jī)的數(shù)據(jù)采樣，將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按系統(tǒng)協(xié)議在雙端口RAM內(nèi)任意存取，讀寫速度快、可靠性高、接口簡(jiǎn)單，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。并且實(shí)現(xiàn)了在VB語(yǔ)言環(huán)境下對(duì)采用內(nèi)存直接映象技術(shù)的雙端口RAM的讀寫操作，將多主CPU采用的總線仲裁方式簡(jiǎn)單為僅僅對(duì)內(nèi)存操作，在應(yīng)用計(jì)算機(jī)總線擴(kuò)展技術(shù)方面具有借鑒意義。

1 系統(tǒng)描述

在汽車綜合檢測(cè)系統(tǒng)中，需要對(duì)汽車的底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)以及綜合電路等方面的信號(hào)進(jìn)行采樣和判斷，其中包含大量的運(yùn)算處理和汽車標(biāo)準(zhǔn)為資料的對(duì)比、分析、判斷等環(huán)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)采樣點(diǎn)多，信號(hào)的形式各不相同，系統(tǒng)采用MCU控制方式的分機(jī)對(duì)各測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和模擬控制。由于MCU沒(méi)有高效的運(yùn)算功能，沒(méi)有大量的指令和數(shù)據(jù)存貯空間，更不能直觀顯示各種汽車標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果，若進(jìn)行大量的運(yùn)算、判斷、顯示，其硬件、軟件處理一個(gè)比較棘手的問(wèn)題。因此本系統(tǒng)采用MCU負(fù)責(zé)采集各種信號(hào)，統(tǒng)一由計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)相應(yīng)的運(yùn)算處理、分析、判斷，并管理汽車標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)對(duì)話接口、顯示測(cè)量結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)圖形等等，用一塊管理分機(jī)的通訊卡實(shí)現(xiàn)分機(jī)與主機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸。

通訊卡包含了數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)收集、傳輸?shù)裙δ?，?duì)系統(tǒng)內(nèi)的并、串行通訊實(shí)現(xiàn)分時(shí)操作?？ㄉ嫌梢黄琈CU負(fù)責(zé)管理各個(gè)分機(jī)，通過(guò)串行通訊方式將分機(jī)采集的各種數(shù)據(jù)，收集到通訊卡內(nèi)，經(jīng)過(guò)判斷、篩選，將有效數(shù)據(jù)存貯到雙端口RAM的規(guī)定區(qū)域內(nèi)；計(jì)算機(jī)從雙端口RAM內(nèi)將數(shù)據(jù)讀入，進(jìn)行運(yùn)算處理，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較判斷，將結(jié)果或控制命令寫入雙端口RAM內(nèi)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)運(yùn)行。本文主要針對(duì)通訊卡的軟、硬件設(shè)計(jì)和在VB環(huán)境下的軟件實(shí)現(xiàn)，作重點(diǎn)的分析。

2 硬件設(shè)計(jì)

通訊卡的基本硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖1所示。利用計(jì)算機(jī)總線做擴(kuò)展卡的技術(shù)已經(jīng)廣為應(yīng)用，但很多都是利用計(jì)算機(jī)提供固定的I/O端口地址進(jìn)行讀寫操作，“瓶頸效應(yīng)”十分明顯。在對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高、數(shù)據(jù)傳輸量很大的場(chǎng)合，數(shù)據(jù)阻塞明顯，無(wú)法滿足系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)男枰１鞠到y(tǒng)利用計(jì)算機(jī)內(nèi)存直接映象技術(shù)，對(duì)內(nèi)存物理地址直接操作，實(shí)時(shí)性和速度明顯改善，完全滿足本系統(tǒng)的速度要求。

2.1 MCU和雙端口RAM的選擇

此卡是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集的分機(jī)之間大量、快速的數(shù)據(jù)交換的中間環(huán)節(jié)。采用的MCU要求具有較喲的運(yùn)行速度和數(shù)據(jù)管理能力，既有雙端口RAM的接口總線，又具備同分機(jī)雙工串行通訊能力，同時(shí)考慮到系統(tǒng)硬件加密的必要，選擇此MCU是系統(tǒng)的關(guān)鍵。美ATMEL公司出品的89C51是本系統(tǒng)的首選。另一方面根據(jù)本系統(tǒng)的需要，數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">信息量在一個(gè)令牌下，2KB的吞吐量已經(jīng)滿足，因此我們采用美國(guó)IDT公司出品的雙端口EAM IDT7132，容量為2K×8bits。IDT7132帶有兩套獨(dú)立控制總線，可從兩側(cè)任意讀寫存儲(chǔ)器中的所有單元，片內(nèi)硬件端口促裁電路適合當(dāng)兩側(cè)同時(shí)訪問(wèn)同一單元時(shí)不允許處于等待狀態(tài)的89C51的操作，允許不經(jīng)過(guò)外部仲裁，能經(jīng)受沖突的系統(tǒng)進(jìn)行雙機(jī)同步讀寫存儲(chǔ)器中的同一單元，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)化了通訊卡的硬件電路設(shè)計(jì)，同時(shí)為軟件設(shè)計(jì)免除了使用信號(hào)燈進(jìn)行判斷操作的繁鎖過(guò)程。

2.2 雙端口RAM的地址范圍的選擇

計(jì)算機(jī)內(nèi)部高端地址中有一段保留給I/O適配卡的128KB地址空間，段地址空間為0C0000H～0DFFFFH。利用這128KB中的一段2KB空間即可滿足IDT7132的使用，按PC總線的協(xié)議經(jīng)過(guò)地址譯碼和其它控制總線選能，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存直接映象方式。地址范圍為0D0000H～0D07FFH之間。另一側(cè)，MCU與IDT7132的接法只將IDT7132其中一側(cè)總線接入MCU的總線上，其接法同普通RAM沒(méi)有區(qū)別，設(shè)置地址范圍在 8000H～87FFH之間。

按工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行全地址線譯碼方式，確保全地址空間的每一個(gè)存儲(chǔ)單元的地址在總線上唯一。

2.3 對(duì)雙端口RAM訪問(wèn)的特殊情況處理

IDT7132 兩側(cè)的BUSY線分別接到MCU的INT0中斷上和PC總線的A10腳（IO-CH-RDY）上，作為MCU和計(jì)算機(jī)同時(shí)讀寫IDT7132的同一個(gè)地址單元時(shí)的“忙閑”狀態(tài)線。當(dāng)兩側(cè)訪問(wèn)不同的地址單元時(shí)，BUSY線無(wú)效，兩側(cè)操作互不影響。當(dāng)兩側(cè)“幾乎同時(shí)”訪問(wèn)同一個(gè)單元時(shí)，按IDT7132的總線仲裁邏輯，對(duì)兩側(cè)的片選信號(hào)和地址信號(hào)之一到達(dá)時(shí)間間隔只要大于5ns，就能對(duì)先到達(dá)的一側(cè)提供讀寫通道，保證數(shù)據(jù)讀寫的真實(shí)性。同時(shí)將另一側(cè)的BUSY 線置低，為MCU或計(jì)算機(jī)提供中斷或等待信號(hào)。眾所周知，89C51不具備插入等待周期延時(shí)操作的能力。當(dāng)MCU一側(cè)先行操作時(shí)，計(jì)算機(jī)一側(cè)的BUSY線有效，PC總線上的IO-CH-RDY狀態(tài)線被拉低，命令計(jì)算機(jī)CPU插入等待周期，延時(shí)等待MCU一側(cè)完成讀寫操作后，再進(jìn)行讀寫操作。當(dāng)計(jì)算機(jī)一側(cè)占據(jù)IDT7132的一個(gè)地址單元時(shí)，MCU一側(cè)再操作該單元，MCU讀寫的數(shù)據(jù)無(wú)效。我們采用了判斷標(biāo)志位的方式解決此問(wèn)題。當(dāng)對(duì)應(yīng)的BUSY線變低 INT0中斷有效時(shí)，MCU完成該條讀寫指令后立即進(jìn)入中斷，置標(biāo)志位，中斷返回后，即執(zhí)行查詢標(biāo)志位的指令同，判斷此次操作是否有效。未成功，重復(fù)操作，直至讀寫成功。

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的全部軟件共三部分，每一部分的設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)不同。計(jì)算機(jī)方面軟件實(shí)現(xiàn)的功能包括：用戶人機(jī)對(duì)話接口、汽車技術(shù)資料庫(kù)的管理和擴(kuò)充、底層全部數(shù)據(jù)傳輸、運(yùn)算處理、零點(diǎn)校正設(shè)定、實(shí)時(shí)監(jiān)控操作、各分機(jī)的模擬信號(hào)線化處理、大量圖片資料的處理與調(diào)用等等。通訊卡的軟件設(shè)計(jì)包括：對(duì)各個(gè)分機(jī)的管理、數(shù)據(jù)收集分類整理、篩選判斷、與計(jì)算機(jī)進(jìn)行有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊?。分機(jī)的軟件包括數(shù)據(jù)采集和模擬控制等部分。要求數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、一致。實(shí)際應(yīng)用中采用數(shù)據(jù)濾波、指令冗余、自依斷以及現(xiàn)場(chǎng)斷點(diǎn)返回等抗干擾技術(shù)。

全部軟件涉及的編程語(yǔ)言共三種。分機(jī)和通訊卡的軟件設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言，計(jì)算機(jī)方面采用Visual Basic6.0、Visual C++ 6.0兩種語(yǔ)言，分機(jī)方面的軟件這里不作介紹，本文主要針對(duì)在通訊卡上以及在Visual Basic 6.0環(huán)境下對(duì)雙端口RAM的操作軟件設(shè)計(jì)作詳細(xì)介紹。

Visual Basic 6.0不具備對(duì)計(jì)算機(jī)底層地址操作的功能，不如Visual C++ 6.0、Delphi等。特別在本系統(tǒng)中采用的高速并行通信方式，對(duì)內(nèi)存物理地址讀寫操作的頻率很高，按常規(guī)應(yīng)改用其它語(yǔ)言。但系統(tǒng)其它方面的工作，不是其它語(yǔ)言所能替代的，所以必須將VB語(yǔ)言環(huán)境下不能對(duì)底層地址讀寫操作的問(wèn)題加以解決。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)如下方法實(shí)現(xiàn)。

筆者采用的方法是調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL。用VisualC++ 6.0編寫對(duì)內(nèi)存物理地址進(jìn)行讀寫操作的DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送；用Visual Basic 6.0調(diào)用DLL實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，從而彌補(bǔ)VB對(duì)底層數(shù)據(jù)操作的缺陷，使VB環(huán)境下開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)軟件更為方便。

（1）首先使用Visual C++ 6.0創(chuàng)建一個(gè)MFC Appwizard dll項(xiàng)目，這樣就可以在DLL中編寫程序。因?yàn)槲覀円獙?duì)直接映象在高端內(nèi)在范圍內(nèi)的地址進(jìn)行操作，所以在編寫程序時(shí)，要使用如下方法：

-asm{ mov A B

mov ……

…………

mov i A}

return i；

-asm{}是嵌入式匯編函數(shù)，在Visual C++6.0中只有使用此方法才可以訪問(wèn)高端內(nèi)存地睛。還要在DLL中編寫兩個(gè)函數(shù)。一個(gè)從內(nèi)存地址讀數(shù)函數(shù)，一個(gè)對(duì)內(nèi)存地址寫數(shù)函數(shù)。這樣才能完成對(duì)高端內(nèi)存地址讀寫的操作，實(shí)現(xiàn)底層的數(shù)據(jù)傳輸。

（2）使用Visual Basic 6.0調(diào)用DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)。

第一步：運(yùn)行VB6.0時(shí)，新建一個(gè)工程項(xiàng)目，在項(xiàng)目中添加模塊，在模塊中聲明兩個(gè)API函數(shù)：

Declare Function write% lib“C：兡？#12;C”

（ByVal localport%，ByVal value%）

Declare Function read% lib “C：兡？#12;C”

（ByVal localport%）

其中：write（ ）函數(shù)是向高端內(nèi)存地址寫數(shù)據(jù)；

read（ ）函數(shù)是從高端內(nèi)存地址讀數(shù)據(jù)。

第二步：在窗體中放入三個(gè)文本框（Text 1，Text2，Text3），一個(gè)命令按扭（Command 1），就可以在代碼窗口中編寫代碼：

Option Explicit

Dim Port 1 ‘內(nèi)存地址 如：0D0000H

Dim Port 2 ‘16進(jìn)制數(shù) 如：12H

Private Sub Command 1-click（）

Dim Gg As Integer ‘聲明一個(gè)返回整數(shù)

Dim Salp As Integer ‘聲明一個(gè)返回整數(shù)

Port 1=Val（Text 1.Text） ‘把Text 1賦給port 1

Port 2=Val（Text 2.Text） ‘把Text 2賦給port 2

Gg=“write”（port 1，port2） ‘往Port 1地址中寫Port 2

Salp=“read”（port 1） ‘從Port 1地址中讀數(shù)

Text3.Text=Salp ‘在Text3中顯示

Salp

End Sub

兩個(gè)函數(shù)的調(diào)用過(guò)程如上所述，可根據(jù)編程的意圖放在任何位置。特別注意，函數(shù)地址不能與其它硬件的地址或系統(tǒng)內(nèi)存地址沖突，否則會(huì)造成計(jì)算機(jī)死機(jī)。

本文采用雙端口RAM器件設(shè)計(jì)的智能型高速并行通訊卡，在監(jiān)控軟件、硬件，以及在VB環(huán)境下對(duì)直接映象方式的高端內(nèi)存進(jìn)行讀寫操作的實(shí)現(xiàn)，具有通用性。尤其在自動(dòng)控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)A/D、D/A轉(zhuǎn)換、實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，以及設(shè)計(jì)虛擬儀器、視頻信號(hào)數(shù)字化處理、語(yǔ)音處理、各種系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真等需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合，都具有借鑒意義?？傊悄芑蹇ㄔ赑C總線工業(yè)控制的應(yīng)用，是今后發(fā)展的主流。

責(zé)任編輯：gt