PCI9052在多功能CAN适配卡中的应用研究

0 引言

PCI总线是一种独立于CPU的局部总线，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接口的好处是比较灵活，但其设计难度很高，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。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，使用很方便，开发周期短。 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。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。

1 硬件设计

为了充分利用硬件的有用资源，该多功能适配卡不仅要实现与CAN总线进行通信，还具有A/D、D/A及I/O功能，实现对CAN通信和数据采集等功能。PCI9052有5个地址映射空间，要实现这些功能，通过PCI9052来连接是能够满足要求的。I/O采用IO映射空间，CAN、A/D和D/A采用Memory地址映射空间，也可都采用Memory方式，这些地址空间的配置是在EEPROM中进行配置的。根据采样精度要求，A/D芯片采用的是16位单通道并行通信的AD976芯片，转换时间10us，为了实现多通道输入，须在模拟输入端加一多路开关MAX308ESE。D/A芯片采用的是16位8通道芯片DAC7644E，转换时间10us。CAN控制芯片采用PHLIPS的SJA1000，同时须接一CAN驱动芯片82C250。另外，PCI9052需要一片EEPROM芯片用来存储PCI9052的初始化配置参数。可与PCI9052匹配的芯片有Microchip Technology 1K 93AA46、93C46B、93LC46B，还有其他厂商的。在选择EEPROM时一定可参考PCI9052的推荐说明，这里采用的是1K的93LC46B。其原理结构如图1：

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2  软件设计
软件设计包括WDM驱动程序、API接口函数和应用程序设计，这里主要介绍驱动程序设计。对于WDM驱动程序，要获得正确的地址分配值，必须正确地设置配置参数，9052内部的配置寄存器是通过外部串行E2PROM上电加载的。9052会自动根据该E2PROM的状态来决定其内部寄存器的值。如果E2PROM不存在（此时E2PROM和9052连接的数据引脚应加上拉电阻或其内部无有效值，9052会将其内部寄存器配置为缺省值。值得一提的是，如果E2PROM内部没有烧写为有效值时，应保证其开始48位为全“1”；否则，系统上电时可能会产生错误。9052有5个本地空间，用户可根据实际需要进行相应的配置。当将本地空间配置成I/O时，对该空间的读/写操作只能单次进行。配置成存储器空间，用户会有多种接入模式，可大大提高接入速度。
该多功能设配卡驱动程序的开发采用支持Windows2000的WDM驱动程序。开发工具采用Visual C++6.0、Win2000 DDK及DriverStudio2.7。采用DriverStudio向导工具生成驱动程序框架和调试程序，在利用向导时需正确填写PCI Vendor ID和PCI Device ID，否则，在安装驱动程序时查找不到正确的硬件设备，导致无法安装驱动。
由于WDM驱动程序运行在系统的内核态，编写非常复杂，在应用程序和硬件进行数据交换中，可以采用几种方式进行通信：I/O控制方式、直接读写方式、中断方式和DMA方式。由于CAN总线的最高速率是1Mbps，所以我们采用IO控制操作实现数据的传送，在驱动程序派遣例程中实现这些操作，在API函数中提供这些操作的接口，应用程序可使用标准Win32 API函数DeviceIoControl来数据读写，也可以采用DriverStudio向导工具产生的DeviceControl来操作，在这里我们将它集成到对应的API函数里，生成相应的静态库或者动态连接库的形式提供给应用程序。    定义了7个IO控制代码：
IOCTL_HIL100_READ_IO_DATA（用于读I/O口数据）
IOCTL_HIL100_READ_AD_DATA（用于读AD数据）
IOCTL_HIL100_READ_DA_DATA （用于读DA数据）
IOCTL_HIL100_READ_CAN_DATA（用于读CAN数据）
IOCTL_HIL100_WRITE_IO_DATA（用于写I/O口数据）
IOCTL_HIL100_WRITE_DA_DATA（用于写DA数据）
IOCTL_HIL100_WRITE_CAN_DATA（用于写CAN数据）
这些控制代码在驱动程序的DeviceControl(KIrp I)函数中调用，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;
 }
 ………………………….
 }
在该函数进行驱动中相应的数据处理与传递，包括从内存中读上层应用程序发送下来的数据或将AD、CAN等外设传递上来的数据送到上层应用程序。
API函数主要提供了PCI卡的开关，A/D、D/A、I/O的读写函数，CAN的设置、读写，中断事件消息函数等。API函数与以上控制代码相关联，传递数据和控制参数。如下程序所示：
bool WriteDataToIO(unsigned char data)    //写数据到IO口
{
    ……
 ULONG BytesReturned;
    if (!DeviceIoControl(hHIL100, IOCTL_HIL100_WRITE_IO_DATA, &data, 1,
  NULL, 0, &BytesReturned, NULL))
……
}
bool ReadDataFromIO(unsigned char *data) //从IO口读数据
{
 ……
 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])//写数据到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])
{                                                               //从AD读数据
 ……
 ULONG BytesReturned;
 if (!DeviceIoControl(hHIL100, IOCTL_HIL100_READ_AD_DATA,address,16,
  &data,16, &BytesReturned, NULL))
 ……
}
bool ReadDataFromDA (unsigned char address,unsigned short *data)//从DA读数据
{
 ……
 ULONG BytesReturned;
 if (!DeviceIoControl(hHIL100, IOCTL_HIL100_READ_DA1_DATA,&address,1,
  data, 2, &BytesReturned, NULL))
 ……
}
将这些接口函数生成动态链接库的形式，供上层应用程序调用。
3   结束语
由于PCI总线的高速特性，使其被广泛应用于高速数据采集系统和数据传输通信系统中，有效地解决了实时采集、实时传输和实时存储等问题。而PCI总线控制器专用芯片的出现则缩短了PCI总线硬件设备的开发周期，使得硬件设备的可靠性和稳定性都有了较大的提高。在开发过程中，尤其对于高速采样及实时严格的系统，我们实现了对该系统高效率的操作特性，该研究有效的解决了高速实时采集、实时传输和实时存储等的驱动问题。同时该PCI多功能CAN适配卡既实现了CAN总线通信功能，同时也实现了多路通道的数据采集和相应控制。
3 本文的创新观点
1) 本文将API函数与控制代码建立起关联
2) 本文将应用程序集成到对应的API函数里