基于PCI总线的CAN卡的设计与实现

现场总线CAN(Controller Area Network控制器局域网络)以其高性能、高可靠性及独特的设计,越来越受到人们的重视和青睐,不但在汽车行业中应用广泛,而且在工业控制、机器人、医疗器械、传感器等领域发展迅速。为了扩展CAN总线的功能,与计算机相连,可设计具有CAN接口和PC接口的CAN适配卡,用来收集CAN总线上各个节点的信息,转发给PC机,并可将PC机的命令和数据转发给各个节点以及完成对CAN总线上的用户系统的部分监控和管理工作。 

    PCI总线是Intel公司推出的一种先进的高性能32/64位局部总线,可同时支持多组外围设备,不受制于处理器,数据吞吐量大 (33MHz总线频率、32位传输时峰值可高达132MB/s)。目前PCI是处于主流的计算机总线。以往的CAN卡一般都是基于ISA总线的,由于ISA总线传输速率低,CAN卡必须增加中继控制功能,才能够适应CAN的高速传输,导致造价高、体积大、传输速率低,不利于CAN总线的推广应用。由于PCI总线传输速度快,而且支持热插拔、电源管理等功能,不但能满足CAN总线的高速数据传输,性能高、功能强,而且体积小、价格低、使用方便、应用范围广。 

    CAN卡的设计包括硬件设计和软件设计。 

1 硬件设计 

    PCI总线是一种独立于CPU的局部总线,不同于传统的ISA总线。由于PCI总线规范定义了严格的电气特性和时序要求,开发难度比ISA总线的开发难度大。实现PCI接口的方案一般有两种:采用可编程逻辑器件和专用总线接口器件。采用可编程逻辑器件实现PCI接口的最大好处是比较灵活,可把PCI时序模块和功能模块结合在一起,可以利用的器件也比较多(如Altera公司的CPLD器件、Xilinx公司的FPGA器件等),还可以购买由厂家提供的用VHDL、AHDL等硬件描述语言编制的PCI核心设计模块,但其设计难度还是很高,因为PCI总线对负载要求、传输数据的建立时间的要求都比较苛刻,同时还需要器件内部实现用于配置的各类寄存器,以及完成逻辑校验、地址译码等工作的寄存器(大致需要15000个门电路)。此外,还需加入FIFO、用户寄存器组和后端设备接口等部分。设计这种PCI总线接口会导致将大量的人力、物力投入到复杂的逻辑验证和时序分析的工作上,开发周期较长。采用专用接口器件虽然没有采用可编程逻辑器件那么灵活,但能够有效地降低接口设计的难度,缩短开发时间。专用接口器件具有较低的成本和很高的通用性,能够优化数据传输,提供配置空间,具备用于突发传输功能的片内FIFO,提供扩展局部总线等优点,并且许多公司还提供配套的开发工具(例如评估板或驱动程序开发软件),使用很方便,开发周期短。目前市场上常见的有PLX、AMCC、Cypress等公司的PCI桥芯片,各个型号的PCI接口芯片的大致特点如表1所示。 

    PCI设备可分为主模式和从模式。主模式桥芯片可以进行DMA操作,而从模式只能接受读写操作。根据PCI提供的传输数据带宽(最大132MB/s)和CAN总线(最大1Mbps)的要求,加上经济和开发难度与周期上的考虑(主模式桥芯片较昂贵,开发难度较大),又因不需要DMA功能,采用从模式桥芯片足以满足传输数据的需要。此外,选择芯片不仅考虑性能和经济上的要求,而且还需要考虑硬件开发和驱动程序开发的难易。如果不提供足够的芯片说明和应用样例及开发工具,将大大增加开发难度和延长开发周期。因此,采用PLX公司的PCI总线目标接口芯片PCI9052作为CAN卡中的PCI接口芯片,负责与计算机之间的数据通信。

    PCI9052是PLX公司开发的低价格PCI总线从模式接口芯片,低功耗,符合PCI2.1规范,提供的局部总线(Local Bus)可通过编程设置为8/16/32位的(非)复用总线。其主要特点有: 

    (1)直接数据转换模式  PCI9052支持PCI到Local Bus的内存映射和I/O映射的突发读写。 

    (2)ISA接口逻辑  PCI9052支持通过8/16位内存映射或I/O映射从PCI到ISA总线的单周期读、写访问。方便从ISA卡向PCI卡的转换。 

    (3)中断产生器  由Local Bus的两个中断信号可以产生一个PCI中断信号:INTA#。 

    (4)局部总线  PCI9052提供的局部总线不但可编程,而且与PCI总线的时钟相互独立运行,可实现异步操作,总线操作自动实现时序同步。两总线的异步运行方便了高、低速设备的兼容。局部的运行时钟频率范围0～40MHz、TTL电平,可由PCI提供或由用户自行提供;PCI的运行时钟频率范围0～33MHz。 

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

    (6)4个局部设备片选  基址和地址范围可以由串行EEPROM或主控设备进行设置。 

    (7)5个局部地址空间  基址和地址范围及其映射可以由串行EEPROM或主控设备进行设置。 

    (8)Big/Little Endian模式的字节交换  适合不同计算机体系。 

    (9)局部总线等待状态  除了等待信号LRDYi#用于握手之外,PCI9052还有一个内部等待产生器(包括地址到数据周期、数据到数据周期和数据到地址周期的等待)。 

    (10)延迟读模式  PCI9052支持PCI2.1规范的延迟读模式。 

    (11)FIFO  PCI9052包括一个64Byte的写FIFO和一个32Byte的读FIFO,从而支持预取模式、即突发操作。 

    (12)PCI锁定机制  主控设备可以通过锁定信号占有对PCI9052的唯一访问权。 

    由于CAN总线的迅猛发展,许多芯片厂商开发了很多系列的CAN通信控制器芯片。如表2所示。 

    由于PCI9052可以启动局部总线的读写,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、支持热插拔等功能,不但可以实现CAN总线接口功能,而且芯片可以根据晶振的频率,输出可编程的CLKOUT信号,该信号正好可作为PCI9052的局部总线的总线频率,节省了器件,方便了设计。CAN总线的总线频率可为12MHz、16MHz或24MHz,PCI9052自动实现局部总线与PCI总线的访问同步。CAN总线收发器采用82C250。该芯片是CAN总线控制器和物理总线的接口,可以提供对CAN总线的差动发送和接受能力,具有抗瞬间干扰、保护总线的能力,可以通过调整CAN总线上通讯脉冲的边沿斜率来降低射频干扰。 

    由于PCI设备在计算机中的硬件资源是系统动态分配的,因此在设计出基本的硬件框架后,要进行PCI配置设计。CAN卡的硬件资源为映射SJA1000内部寄存器的内存映射空间和一个中断源。PCI9052提供5个局部地址空间,可以选用其中的一个作为SJA1000的地址空间,分配32个8位地址。同时设置相应的初始化,PCI配置寄存器中的寄存器PCIBAR2设置为0XFFFFFFE0,向系统请求分配内存的数量为32,类型为不可预读,其它寄存器的值可设置为0。设置局部地址空间的范围为0X00000000～0X00000020。PCI9052提供2个局部中断源,利用LINTi1即可,注意的是:LINTi1信号线没有驱动能力,SJA1000的INT引脚也没有驱动能力,因此该信号线必须加上拉电阻,否则该信号线的电平不确定,工作肯定不正常。SJA1000提供电平触发中断信号,因此PCI9052的中断触发模式设置为电平触发。利用PCI9052的局部设备片选CS0#作为SJA1000的片选信号。CS0#片选信号的起始地址和地址范围由CS0 Base Address寄存器设置,值为0X00000002。另外,PCI9052的LRDYi#信号为局部总线数据准备信号,SJA1000的寄存器地址映射成地址,数据传输不存在延迟等待,因此LRDYi#引脚可接地,表示SJA1000的寄存器总是立即可读写。PCI9052寄存器的初始值由串行EEPROM提供,在PCI9052加电后读取。EEPROM必须采用支持连读功能的芯片,本设计采用Microchip的93LC46B。用PLX公司提供的开发工具PlxMon可对93LC46B进行读写。 

    PCI9052的硬件调试可采用PlxMon。利用它可以对PCI设备的配置资源进行检验。利用PLX提供的SDK,可以对PCI9052的局部寄存器、局部总线及EEPROM进行读写,这样可以调试硬件。借助开发工具,不必开发PCI设备的调试软件,可节省很多时间。同时,SDK也为驱动程序的开发提供了程序框架,加快了开发进度。 

    CAN卡的电路框图如图1所示。 

2 软件设计 

    软件设计包括驱动程序的设计和COM组件程序设计。 

    由于PCI设备的中断、I/O端口、映射内存等资源都是动态分配的,必须编写驱动程序管理硬件,才能供用户编程使用。为了通用性和兼容性,CAN卡驱动程序的开发采用支持Windows XP、Windows2000和Windows98的WDM驱动程序。开发工具采用Visual C++6.0和Win2000 DDK。由于CAN卡上没有微控制器,因此对CAN总线端口的所有操作都是由驱动程序来完成的。这不仅可以由计算机来实现复杂的功能,例如,错误检测、断点续传等,同时节省了硬件,而且有利于CAN卡的升级——只要更换驱动程序即可。驱动程序的功能主要是配置SJA1000的CAN接口、收发CAN总线上的数据、对CAN总线进行实时监测、接收用户程序的收发命令。收发数据和CAN总线错误均采用中断处理,驱动程序可以快速响应,通过事件(Event)内核对象直接通知给用户程序。由于WDM驱动程序运行在系统的内核态,编写非常复杂,限于篇幅,仅给出软件的框图(见图2)。 

    为了方便用户的使用,还应编写相应的API函数或ActiveX控件等其它应用层的程序提供给用户。由于ActiveX控件基于先进的COM技术,具有良好的封装性、使用灵活性等特点,可使用户编程简单、方便,因此在CAN卡的设计中编写了ActiveX控件。ActiveX控件负责与驱动程序的通信,通过控件的事件把CAN卡接收的数据通知给用户程序,利用控件的属性设置CAN通信控制器,按照设置的方法发送用户程序的数据。 

    根据以上的设计,开发了名为Can1000的CAN卡。经使用证明,该卡设计简单明了、性能较高、成本低廉、驱动程序和ActiveX控件使用方便,达到了设计和用户的要求。