基于PC／104的多CAN-Bus系统设计

1 引言

PC／104嵌入式控制PC出现于80年代末，并于1992年形成IEEEP966.1标准。它一方面继承了PC的所有资源，另一方面又对PC的各个方面做了优化设计，使其与IBM PC完全兼容，并具有体积小，功耗低，工作温度宽，可靠性高等特点；它采用了独特的"自栈式"总线连接、模块化结构，使用起来灵活方便；它采用面向对象的硬件设计方法，使得在PC／104标准上开发的扩展模块具有更强的通用性和更长的生命期；它以其优良的品质、高可靠性及模块化，广泛应用于工业控制、航空、军事、医疗、消防设备、智能、导航、通讯、数控、自动化生产设备、便携式计算机等领域。 在实际应用中，一个较为复杂的系统，往往不是由单个计算机独立控制，而是由多个计算机组成通信网络共同完成控制的过程。因此，对于每一个嵌入式计算机来说，除了连接必需的外设之外，还需要考虑计算机之间的通信。

控制器局域网(简称CAN)是目前国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN被设计用作汽车中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成控制网络。CAN是一种多主机方式的串行通讯总线，能够使用诸如双绞线、光纤等多种物理介质，其中最常用的就是双绞线。它的基本设计规范是要求具有高的位速率和高的抗电磁干扰性，而且要求能够检测出任何错误。由于CAN总线具有高实时性、卓越性能、高可靠性、独特灵活设计和低廉价格，已广泛应用于工业现场、控制、智能大厦、小区安防、交通工具、、环境监控等众多领域，目前，已被公认为是几种最有前途的现场总线之一。

2 系统的硬件设计

设计的系统采用合适的档次(以功能、性能够用为标准)、高性价比、CPU为X86(相当于586)、300 MHz的PC／104模块作为主控单元，以的+作为CAN接口器件和收发器；以公司的器件作为逻辑控制和译码单元。整个系统共设计4个CAN接口，其中两个用于外部远距离通讯，工作在5 Kb／s下，另外两个用于近距离通讯，工作在1 Mb／s下，当然这4个CAN接口的硬件是完全相同的。另外，系统还扩展了一个5英寸、320×240点阵的单色屏、按键和指示灯组成的人机接口。图1给出该系统硬件原理框图。

2.1 I／O端口地址分配表

由于系统在PC／104的基础上扩充了CAN、、指示灯和按键等资源，要对其进行访问和操作时，必须为它们分配地址，但分配的地址又不能与PC／104原有的I／O接口地址冲突，所以分配地址之前，必须搞清楚所选用的PC／104模块的地址分配表，即搞清楚哪些地址范围已被PC／104占用，哪些区域是空闲的。新分配的地址只能占用空闲区域，否则会引起端口冲突，导致系统不能正常工作。表1给出PC／104的I／O端口地址分配表。

PC／104总线能访问64 K个I／O端口，但实际上只用了1 K端口地址(～3FFH)，其中256个单元(～OFFH)分配给系统板上的I／O接口器件，其余的768个单元(100～3FFH)分配给扩充卡。当然，现在的PC／104功能非常强大，板上集成了许多接口，如：多个串口、USB、 LAN、GPIO等，它们都要占用端口地址。所以，在实际应用中，必须以所选用的PC／104为准，选出一块空白的地址区域，对上述系统资源进行编址。该系统设计选取地址为180～1BFH。

2.2 中断源的分配

在数据通讯中，数据的接收是随机的、突发的，所以通讯方式必须采用中断接收方式；(数据的发送是可控的，可以采用查询方式，也可以采用中断方式。为此，必须对CAN的中断号进行分配。表2给出PC／104的中断分配表。

由表2可见，IRQ10、IRQ11、IRQ12、IRQ15系统不用，故系统设计选用这4个中断作为CAN的中断号。

2.3 设计

由于系统资源较多，必须采用完成复杂的逻辑设计。设计工具采用提供的MAX+ II工具软件。图2示出设计的CPLD逻辑原理图。PC／104的地址总线A9～A3经比较器和译码器。其中一路输出接4路输入或门的一个输入端，再配合低位地址A2～A0、nWR、nRD等信号，即可得到CANOnWR、CANOnRD、CANOALE等的控制信号；CAN0中断输出信号经反向器接入PC／104的IRQ10。另外，PC／104的数据总线D0～D7直接与的AD0～AD7相连，并一一对应(图2中略)。

由于PC／104的地址总线和数据总线是各自独立的；SJA1000的地址总线和数据总线是分时复用的，所以它们之间不能直接相连，必须通过逻辑控制，再配合软件来实现读／写操作。

图2只给出1路CAN接口的逻辑原理图，3路原理与其相同。对SJA1000的操作方法是：首先，对地址为CAN0首地址+0(A2A1A0=000)的端口进行写操作(nWR为低，有效)，CAN0ALE为高，有效，此时复用的地址／数据总线上的数据被视为地址信号，进入SJA1000内部锁存器；然后，对地址为CAN0首地址+1(A2A1A0=001)的端口进行读或写操作(nRD／nWR为低，有效)，CAN0ALE为低，上述中的地址信号已被锁存，此时复用的地址／数据总线上的数据被视为数据信号，这样即可完成对SJA1000的各个寄存器和缓冲区读或写操作。另外，译码器还要输出对、指示灯输出、按键采集等电路的片选信号。

3 系统的软件设计

为方便软件调试，软件开发和运行的操作系统采用DOS6.22；软件开发环境采用Turbo C++／ C++编译器。

3.1 软件流程图

图3a给出采用模块化设计的系统软件流程图。其中系统初始化模块负责完成对系统的中断、时钟、I／O端口、串口、CAN接口等资源的配置；LCD显示界面初始化模块负责完成系统的工作界面显示；CAN发送呼叫模块通过CAN-Bus呼叫各子模块，各子模块在收到呼叫命令后，将采集的数据发送给主机，同时主机也可将系统的设置参数或动作指令发送给各子模块；CAN接收数据处理模块负责处理收到的各种数据；键盘采集处理及LCD显示刷新模块负责系统采集和处理键盘命令，并通过LCD显示出系统执行结果和各种状态信息。图3b给出系统中断服务子程序，包括4个CAN中断服务子程序和定时中断服务子程序等。

3.2 软件代码

在软件代码中，中断向量的和PC／104对SJA1000的操作比较重要。下面以CAN0为例进行详细说明。

3.2.1中断向量的

3.2.2 PC／104对SJA1000的操作

由于篇幅有限，其它子程序不再详述。

4 具体应用结果

采用该方案设计了铁路道岔融雪系统。整个系统的PC／104子系统多达10个以上；各子系统的最远距离达7～8 km，它们都以远距离、低速的CAN-Bus与车站中央控制系统相连。每个以PC／104为核心的子系统中都有电流采集模块、电压采集模块、轨温采集模块、I／O模块等，它们都以近距离、高速的CAN-Bus与PC／104模块相连。另外，系统还可扩展、无线模块。这样可以组成了一个功能强大的分布式控制系统。目前，正在对系统的各功能、技术指标等进行测试。由于系统方案设计合理，整个系统运行稳定、可靠，因此取得了较好的效果。

5 结语

目前，嵌入式工业计算机PC／104的档次很多，其CPU从低端的386、486、X86…一直到高端的 III，IV等，应有尽有，运行的操作系统可以是DOS、、WinCE，也可以是，所以以PC／104平台来搭建控制系统具有广泛的适应性和可扩展性。