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引言 LPC2294是PHILIPS公司推出的一款功能強大、超低功耗且具有ARM7TDMI內核的32位微控制器。它具有豐富的片上資源，完全可以滿(mǎn)足一般的工業(yè)控制需要，同時(shí)還可以減少系統硬件設計的復雜度，提高系統的穩定性。 CAN(“Controller Area Network”)總線(xiàn)控制器局域網(wǎng)是一種能有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。CAN總線(xiàn)以其高性能、高可靠性、廉價(jià)等特性，越來(lái)越受到人們的重視和青睞。為了有效的管理工業(yè)現場(chǎng)的CAN節點(diǎn)，充分發(fā)揮CAN總線(xiàn)的性能，通信卡的設計與研究十分必要。但目前市場(chǎng)上類(lèi)似產(chǎn)品存在著(zhù)兩點(diǎn)不足。 首先是一般工業(yè)現場(chǎng)中可能擁有不止1條CAN總線(xiàn)，而目前設計的通信卡上的CAN的接口太少，因而會(huì )給設備的集中管理帶來(lái)困難。 二是目前兩條CAN網(wǎng)段問(wèn)的通信主要通過(guò)一對一CAN總線(xiàn)網(wǎng)橋來(lái)實(shí)現，但這種方式解決不了工業(yè)現場(chǎng)中同時(shí)在幾條CAN網(wǎng)段問(wèn)傳輸數據的需求，也容易導致組網(wǎng)混亂。 為此，本設計選用的ARM控制器LPC2294內部集成有四路CAN控制器，完全符合CAN規范CAN2.0B標準和ISO11989-1標準。全局驗收過(guò)濾器可識別幾乎所有總線(xiàn)的11位和29位Rx標識符。作為本設計的核心部件，LPC2294的使用能夠很好地解決上述2個(gè)問(wèn)題，它不僅能擔起主控制器的工作，同時(shí)還可作為CAN網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸控制器，來(lái)與網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)實(shí)現數據交換。 1 硬件設計方案 目前計算機的發(fā)展，除了少數專(zhuān)門(mén)的工控機還在使用ISA總線(xiàn)以外，PC機上使用最為普遍的就是PCI總線(xiàn)了。PCI總線(xiàn)是Intel公司推出的一種高性能32/64位PC機局部總線(xiàn)，可能同時(shí)支持多組外圍沒(méi)備而不受制于處理器，其數據吞吐量很大(33 MHz總線(xiàn)頻率、32位傳輸時(shí)，其峰值可高達132 MB/s)，PCI總線(xiàn)依靠其優(yōu)越的性能必將取代ISA總線(xiàn)。因此，本文基于PCI總線(xiàn)來(lái)設計一個(gè)帶有4個(gè)CAN總線(xiàn)網(wǎng)段的智能通信卡。圖1是該通信卡的整體硬件結構圖。 1.1 PCI總線(xiàn)接口的實(shí)現 PCI總線(xiàn)具有非常嚴格的規范，也具有良好的兼容性。但是PCI總線(xiàn)協(xié)議也比較復雜。本設計選用專(zhuān)用的PCI總線(xiàn)接口芯片PCI9030來(lái)實(shí)現網(wǎng)關(guān)的PCI總線(xiàn)接口。PCI9030是PLX公司開(kāi)發(fā)的低價(jià)格PCI總線(xiàn)從模式接口芯片。該芯片功耗低，符合PCI2.2規范，用戶(hù)設計時(shí)只需考慮局部總線(xiàn)一側的邏輯控制電路和用于配置的外部EEP-ROM，而不必考慮PCI協(xié)議的具體實(shí)現方法，這樣就大大簡(jiǎn)化了設計難度，縮短了開(kāi)發(fā)周期。 PCI9030要求有一塊EEPROM作為初始化存儲器。在系統加載時(shí)，PCI9030先從該EEPROM中加載初始數據，進(jìn)行初始設置，因此，EEP-ROM中的信息是否正確決定了PCI卡的加載和運行是否正常。本設計選用ST93CS56作為PCI9030的初始化存儲器，其結構方案如圖2所示。 1.2 CAN總線(xiàn)接口的實(shí)現 該通信卡中CAN總線(xiàn)接口部分實(shí)現有以下兩種常用的方法： (1) 獨立CAN總線(xiàn)控制芯片實(shí)現 即采用飛利浦公司的SJA1000獨立CAN控制器來(lái)實(shí)現CAN協(xié)議。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現較復雜的功能，靈活性也不錯，但由于它是獨立的控制器，設計通信卡擁有4個(gè)CAN網(wǎng)段就需要4片SJA1000，這樣會(huì )造成資源冗余，系統會(huì )比較龐大，而且穩定性也會(huì )受影響，設計難度也較大。 (2) 帶CAN接口的微控制器實(shí)現 該方法具有代表性的有飛利浦公司的ARM芯片LPC2294，它集成有4路片上CAN總線(xiàn)控制器，能很方便地實(shí)現多路CAN總線(xiàn)接口，減小系統規模，提高系統穩定性。 比較上述兩種方法，在傳統的SJA1000中，接收過(guò)濾只能滿(mǎn)足一些規律性較高的ID篩選過(guò)濾，或對個(gè)數較少的ID (一般小于10～15個(gè))進(jìn)行任意篩選過(guò)濾，而難以實(shí)現更復雜的任意ID進(jìn)行篩選過(guò)濾，這無(wú)疑增加了系統軟件設計及運行負擔。而第二種設計方法相對較為簡(jiǎn)便。由于LPC2294微控制器中為所有CAN控制器提供了全局的接收標識符查詢(xún)功能，因而能容易地設計較復雜的ID接收過(guò)濾，其工作的重點(diǎn)主要在A(yíng)RM芯片的軟件設計上。本文采用第二種方法來(lái)實(shí)現CAN總線(xiàn)接口，并采用PCA82C250作為CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器，同時(shí)將6N137連入CAN控制器和CAN驅動(dòng)器之間以降低CAN總線(xiàn)對網(wǎng)關(guān)卡的電磁干擾。圖3所示是LPC2294中一個(gè)CAN接口的連接圖，其它接口與之類(lèi)似。 1.3 微控制器與PCI9030之間的硬件接口設計 微控制器與PCI9030之間的硬件設計是該通信卡的核心控制部分。本設計采用ALTERA公司的FPGA EPlC6來(lái)實(shí)現微控制器與PCI9030之間的接口。EPlC6是ALTERA公司的一款FPGA芯片，它內部集成了20塊128×36 bits的RAM模塊，可以方便地將它編程為所需要的“雙口RAM”，然后將上行數據(CAN節點(diǎn)發(fā)往PC機的數據)和下行數據(PC機發(fā)往CAN節點(diǎn)的數據)通過(guò)該“雙口RAM”緩存轉發(fā)。由于EPlC6擁有豐富的I/O口，故可靈活選擇數據格式(32位/16位/8位)以及傳輸方法，本文采用16位復用傳輸模式。 EPlC6還要編程實(shí)現PCI9030與ARM之間的邏輯控制時(shí)序轉換。由于PCI9030與ARM的控制信號不完全一致，所以需要進(jìn)行邏輯控制時(shí)序轉換。同時(shí)，本文PCI9030的局部總線(xiàn)一側采用的是地址/數據復用模式，而ARM控制器采用的是非復用模式，因此也需要EPlC6進(jìn)行模式轉換：在PCI9030的地址周期內可利用LALE將16位地址鎖存到EPlC6內部寄存器，等到PCI9030的數據周期來(lái)臨時(shí)，再與數據一起送到ARM的地址口與數據口上，以方便ARM取用。 2 軟件設計 2.1 通信卡軟件設計 通信卡上的軟件主要指的是ARM控制器上的軟件程序。本文選用ARM控制器LPC2294來(lái)實(shí)現智能數據傳輸路徑選擇。LPC2294是通信卡的控制核心。它集成有4路CAN控制器，每個(gè)CAN控制器都與獨立CAN控制器SJA1000有著(zhù)相似的寄存器結構，它只是對器件寄存器訪(fǎng)問(wèn)由原來(lái)的8bit字節訪(fǎng)問(wèn)轉變?yōu)榱?2 bit的雙字訪(fǎng)問(wèn)。LPC2294可實(shí)現CAN網(wǎng)段與上位機之間的數據傳輸控制(包括上行數據傳輸和下行數據傳輸)以及不同CAN網(wǎng)段間的數據傳輸控制(平行數據傳輸)。 LPC2294為所有CAN控制器提供了全局接收標識符查詢(xún)功能。它包含一個(gè)512×32 (2 k字節)的RAM，可通過(guò)軟件處理在RAM中存放1～5個(gè)標識符表格。整個(gè)接收濾波RAM可容納1024個(gè)標準標識符或512個(gè)擴展標識符，或兩種類(lèi)型的混合標識符。由于允許的表格范圍有2 k字節，故能容易地滿(mǎn)足復雜的ID接收過(guò)濾要求。LPC2294在FullCAN模式下能自動(dòng)接收并選定網(wǎng)段的標準幀，但本文不采用FullCAN模式。 若在EPlC6的“雙口RAM”中設置一個(gè)狀態(tài)與控制寄存器組(SOR)，那么，上位機便可通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)該寄存器組查詢(xún)通信卡的運行狀態(tài)。為了有效管理數據傳輸，防止傳輸過(guò)程中的數據丟失，本設計在A(yíng)RM內部的靜態(tài)RAM區開(kāi)辟了一個(gè)全局數據收發(fā)緩存區(GRTB)，其示意圖如圖4所示。 圖4中，對于標準幀來(lái)說(shuō)，它只有11位標識符，因此，圖中的標識符字節3和4保留不用。而幀格式用來(lái)區別此幀是標準幀(0)還是擴展幀(1)。當RTR為1時(shí)，表示此幀是遠程幀。圖中的源段號和目的段號用于表明此幀來(lái)自哪個(gè)網(wǎng)段以及將要送往哪個(gè)網(wǎng)段(此處將上位機也作為其中一段來(lái)處理)。DLC表明傳輸的數據字節數目。 2.2 通信卡的運行流程 系統上電復位后，系統將首先運行初始化程序。LPC2294的初始化主要是初始化全局接收和發(fā)送緩沖區以及清除狀態(tài)寄存器中的值等  CI9030的初始化主要是從EEPROM中加載初始數據以進(jìn)行初始設置，CAN初始化包括設置模式、總線(xiàn)時(shí)序、中斷使能、標識符表格，這些設置均可通過(guò)給CAN芯片的內部寄存器賦值來(lái)實(shí)現。初始化成功之后，通信卡將進(jìn)行自檢，并在確定啟動(dòng)正常之后進(jìn)入工作狀態(tài)。這一部分的程序流程圖如圖5的A部分所示。系統進(jìn)入工作狀態(tài)后(圖5中的B部分)將等待中斷產(chǎn)生，如有，則進(jìn)人相應的中斷服務(wù)程序。如果是數據傳輸，則轉入數據傳輸子程序，數據傳輸子程序主要包括3個(gè)部分： (1) 下行數據傳輸 下行數據傳輸指的是上位機向CAN網(wǎng)段發(fā)送數據。即上位機把數據寫(xiě)入到“雙口RAM”中以等待LPC2294將數據取走。LPC2294將上位機發(fā)來(lái)的數據暫時(shí)存放在全局數據收發(fā)緩存區(GRTB)中，然后檢查匹配的目的段是否有空閑的發(fā)送區(CANSR中的TBS位為1)，若有則將數據分別寫(xiě)入每個(gè)網(wǎng)段的發(fā)送區并發(fā)送。如果匹配網(wǎng)段的3個(gè)發(fā)送緩沖器全為忙，則循環(huán)等待，直到有一個(gè)以上的發(fā)送緩沖器為空再進(jìn)行發(fā)送。 (2) 上行數據傳輸 上行數據傳輸指的是CAN網(wǎng)段向上位機發(fā)送數據。當程序檢測到某個(gè)網(wǎng)段X的CAN中斷/捕獲寄存器(CANICR)中的接收中斷位(RI)置位后，它將進(jìn)入接收中斷服務(wù)程序。此時(shí)程序將到標識符表格中查找匹配的標識符，CAN控制器會(huì )在接收時(shí)自動(dòng)搜索接收濾波器的RAM中的表格并進(jìn)行匹配，只要找到匹配值則產(chǎn)生接收中斷并通知用戶(hù)保留信息，否則自動(dòng)放棄這一幀信息而不產(chǎn)生接收中斷，如果它只找到一個(gè)匹配值(源網(wǎng)段中)，則說(shuō)明此數據是只傳輸給上位機的，此時(shí)程序會(huì )將接收到的數據信息按上面介紹的格式保存到全局數據收發(fā)緩沖區(GRTB)，以等待LPC2294將其發(fā)送給EPlC6的“雙口RAM”，以便上位機讀取。 (3) 平行數據傳輸 當出現接收中斷時(shí)，程序也會(huì )到標識符表格中查找匹配的標識符，如果找到一個(gè)以上的匹配值，則說(shuō)明還有其他網(wǎng)段需要這些數據。此時(shí)程序會(huì )將接收到的數據信息讀入到全局數據收發(fā)緩沖區(GRTB)中去，然后把數據發(fā)往匹配網(wǎng)段。 在調用相應的數據傳輸子程序后，程序將置標志位并返回。如果是其它一些中斷，則轉入相應的中斷服務(wù)程序。若沒(méi)有中斷產(chǎn)生，則檢查PC機是否有參數配置需要，最后進(jìn)行系統自檢。本系統會(huì )在系統閑暇時(shí)進(jìn)行自檢并上傳狀態(tài)報表，這樣可以使用戶(hù)隨時(shí)了解通信卡的工作情況，對于提高系統的工作可靠性以及出現故障時(shí)的查錯效率具有重要的意義。 2.3 上位機程序設計 本設計中，上位機軟件設計程序主要包括通信卡底層驅動(dòng)程序和用戶(hù)服務(wù)程序。其設計框圖圖6所示。 通信卡底層驅動(dòng)程序的功能主要是配置CAN總線(xiàn)接口、收發(fā)CAN總線(xiàn)上的數據、對CAN總線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測、執行用戶(hù)程序的收發(fā)命令等。CAN總線(xiàn)和PCI總線(xiàn)錯誤均采用中斷處理，并通過(guò)事件(Event)內核對象直接通知給用戶(hù)程序。 PCI的用戶(hù)服務(wù)程序則通過(guò)PCI通信程序與系統PCIDI (PCI device interface)進(jìn)行通信，并由系統完成PCI協(xié)議的處理與數據傳輸。用戶(hù)可以在設計好的上位機界面上方便的設定節點(diǎn)參數，查詢(xún)節點(diǎn)狀態(tài)信息。 3 結束語(yǔ) 本文設計的CAN/PCI智能通信卡采用功能強大的ARM芯片LPC2294作為核心控制芯片，因此，該通信卡能夠同時(shí)處理4路CAN總線(xiàn)向上位機的數據傳輸。對于CAN網(wǎng)段之間的通信需求，本通信卡也能夠很好地滿(mǎn)足，并可使工業(yè)現場(chǎng)的CAN網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)更為簡(jiǎn)單。 |
