基于PCI總線CAN卡設計與實現(xiàn) - 全文

　　現(xiàn)場總線CAN（Controller Area Network控制器局域網(wǎng)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(yè)中應用廣泛，而且在工業(yè)控制、機器人、醫(yī)療器械、傳感器等領域發(fā)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(jié)點的信息，轉(zhuǎn)發(fā)給PC機，并可將PC機的命令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給各個節(jié)點以及完成對CAN總線上的用戶系統(tǒng)的部分監(jiān)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)的ISA總線。由于PCI總線規(guī)范定義了嚴格的電氣特性和時序要求，開發(fā)難度比ISA總線的開發(fā)難度大。實現(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現(xiàn)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(jié)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(shù)據(jù)的建立時間的要求都比較苛刻，同時還需要器件內(nèi)部實現(xiàn)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(fā)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(fā)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(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，提供擴展局部總線等優(yōu)點，并且許多公司還提供配套的開發(fā)工具?例如評估板或驅(qū)動程序開發(fā)軟件　，使用很方便，開發(fā)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。

　　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(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。如果不提供足夠的芯片說明和應用樣例及開發(fā)工具，將大大增加開發(fā)難度和延長開發(fā)周期。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(shù)據(jù)通信。

　　PCI9052是PLX公司開發(fā)的低價格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）可通過編程設置為8/16/32位的（非）復用總線。其主要特點有：

　?。?）直接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模式 PCI9052支持PCI到Local Bus的內(nèi)存映射和I/O映射的突發(fā)讀寫。

　?。?）ISA接口邏輯 PCI9052支持通過8/16位內(nèi)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(zhuǎn)換。

　?。?）中斷產(chǎn)生器 由Local Bus的兩個中斷信號可以產(chǎn)生一個PCI中斷信號：INTA#。

　?。?）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(xiàn)異步操作，總線操作自動實現(xiàn)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。

　?。?）串行EEPROM 用于存放PCI BUS和Local Bus的部分配置信息。

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）Big/Little Endian模式的字節(jié)交換 適合不同計算機體系。

　?。?）局部總線等待狀態(tài) 除了等待信號LRDYi#用于握手之外，PCI9052還有一個內(nèi)部等待產(chǎn)生器（包括地址到數(shù)據(jù)周期、數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)周期和數(shù)據(jù)到地址周期的等待）。

　?。?0）延遲讀模式 PCI9052支持PCI2.1規(guī)范的延遲讀模式。

　?。?1）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(fā)操作。

　?。?2）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(fā)展，許多芯片廠商開發(fā)了很多系列的CAN通信控制器芯片。如表2所示。

　　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(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CLKOUT信號，該信號正好可作為PCI9052的局部總線的總線頻率，節(jié)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(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)送和接受能力，具有抗瞬間干擾、保護總線的能力，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。

　　由于PCI設備在計算機中的硬件資源是系統(tǒng)動態(tài)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(nèi)部寄存器的內(nèi)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(tǒng)請求分配內(nèi)存的數(shù)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(qū)動能力，SJA1000的INT引腳也沒有驅(qū)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(fā)中斷信號，因此PCI9052的中斷觸發(fā)模式設置為電平觸發(fā)。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(shù)據(jù)準備信號，SJA1000的寄存器地址映射成地址，數(shù)據(jù)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(fā)工具PlxMon可對90LC46B進行讀寫。

　　PCI9052的硬件調(diào)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(diào)試硬件。借助開發(fā)工具，不必開發(fā)PCI設備的調(diào)試軟件，可節(jié)省很多時間。同時，SDK也為驅(qū)動程序的開發(fā)提供了程序框架，加快了開發(fā)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(qū)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(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。為了通用性和兼容性，CAN卡驅(qū)動程序的開發(fā)采用支持Windows XP、Windows2000和Windows98的WDM驅(qū)動程序。開發(fā)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(qū)動程序來完成的。這不僅可以由計算機來實現(xiàn)復雜的功能，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CAN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CAN接口、收發(fā)CAN總線上的數(shù)據(jù)、對CAN總線進行實時監(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，通過事件（Event）內(nèi)核對象直接通知給用戶程序。由于WDM驅(qū)動程序運行在系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)，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(shù)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(qū)動程序的通信，通過控件的事件把CAN卡接收的數(shù)據(jù)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(fā)送用戶程序的數(shù)據(jù)。

　　根據(jù)以上的設計，開發(fā)了名為Can1000的CAN卡。經(jīng)使用證明，該卡設計簡單明了、性能較高、成本低廉、驅(qū)動程序和ActiveX控件使用方便，達到了設計和用戶的要求。