0 引 言
PC／104嵌入式控制PC出現(xiàn)于20世紀80年代末，并于1992年形成IEEEP966．1標準。它一方面繼承了PC的所有資源，另一方面又對PC的各個方面做了優(yōu)化設(shè)計，使其與IBM PC完全兼容，并具有體積小，功耗低，工作溫度寬，可靠性高等特點。采用了獨特
的“自棧式”總線連接、模塊化結(jié)構(gòu)，使用起來靈活方便；采用面向?qū)ο蟮挠布O(shè)計方法，使得在PC／104標準上開發(fā)的擴展模塊具有更強的通用性和更長的生命期；它以其優(yōu)良的品質(zhì)、高可靠性及模塊化，廣泛應用于工業(yè)控制、航空航天、軍事、醫(yī)療、消防設(shè)備、智能儀器儀表、導航、通訊、數(shù)控、自動化生產(chǎn)設(shè)備、便攜式計算機等領(lǐng)域。
CAN(Controller Area Network)總線是一種有效支持分布控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，采用多主協(xié)議，廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而采用對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼的方法，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制。它具有總線仲裁、錯誤檢測、自動重發(fā)等功能。由于采用了許多新技術(shù)及獨特的設(shè)計，CAN總線具有高實時性、卓越性能、高可靠性、能獨特靈活設(shè)汁和低廉價格，已廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場、控制、智能大廈、小區(qū)安防、交通工具、醫(yī)療儀器、環(huán)境監(jiān)控等眾多領(lǐng)域。目前，它已被公認為是幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。隨著科技的發(fā)展，同一系統(tǒng)應用多種總線技術(shù)已經(jīng)成為一種趨勢。本設(shè)計利用FPGA完成PC／104總線和CAN總線之間的相互通訊，將兩總線相結(jié)合，優(yōu)勢互補，使兩總線有更大應用價值和更廣闊的使用前景。
1 硬件設(shè)計
1．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
本設(shè)計采用PC／104模板形式，具有很強的方便性和可擴展性，其系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
由于PC／104總線采用的是地址數(shù)據(jù)總線分離的總線結(jié)構(gòu)，而CAN總線協(xié)議控制器SJA1000T采用的是地址數(shù)據(jù)總線分時復用的總線結(jié)構(gòu)，因此系統(tǒng)使用FPGA器件EP20K100實現(xiàn)總線轉(zhuǎn)換和時序邏輯控制轉(zhuǎn)換。該通訊板采用I／O映射方式，其內(nèi)部寄存器地址為280H～2BFH。為了增強系統(tǒng)的抗干擾能力，在控制器SJA1000T與收發(fā)器82C250之間接入光電耦合器6N137。光耦6N137的上升時間典型值為30 ns，隔離電壓為3 000 V，其支持最大頻率值超過30 MHz。
1．2 FPGA設(shè)計
QuartusⅡ是Altera公司在21世紀初推出的FP-GA／CPLD開發(fā)環(huán)境，是Altera前一代FPGA／CPLD集成開發(fā)環(huán)境MAx+PlusⅡ的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其功能強大，界面友好，使用便捷。QuartusⅡ軟件集成了Al-tera的FPGA／CPLD開發(fā)流程中所涉及的所有工具和第三方軟件接口。QuartusⅡ軟件的開發(fā)流程如圖2所示。
采用原理圖輸入和硬件描述語言相結(jié)合的方式，進行編譯后寫人器件中；同時可在線更改寫入內(nèi)容，修改和調(diào)試簡單易行。FPGA的設(shè)計主要由兩部分組成：第一部分實現(xiàn)時序邏輯控制信號的轉(zhuǎn)換，第二部分實現(xiàn)地址譯碼和地址數(shù)據(jù)線的復用。QuartusⅡ圖表文件及器件管腳如圖3所示。
由于PC／104的地址總線和數(shù)據(jù)總線是各自獨立的，SJA1000T的地址總線和數(shù)據(jù)總線是分時復用的，所以它們之間不能直接相連，必須通過時序邏輯控制，再配合軟件來實現(xiàn)讀／寫操作。對SJA1000T的操作方法是：首先，對地址為CAN首地址+0(A2A1A0=000)的端口進行寫操作(WR為低，有效)，CANALE為高，有效，此時復用的地址、數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)被視為地址信號，進入SJA1000T內(nèi)部鎖存器；然后，對地址為cAN首地址+1(A2A1A0=001)的端口進行讀或?qū)懖僮?RD／WR為低，有效)，CANALE為低，上述中的地址信號已被鎖存，此時復用的地址、數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)被視為數(shù)據(jù)信號，這樣即可完成對SJA1000T的各個寄存器和緩沖區(qū)的讀或?qū)懖僮鳌?br />1．3 硬件電路測試
主要檢測硬件結(jié)構(gòu)及電路板設(shè)計是否正確。建立一個簡單的通訊連接，將兩個通訊板連接進行測試，用通訊板A作為輸出，通訊板B作為輸入。編程通過通訊板A發(fā)送數(shù)據(jù)，內(nèi)容為8個隨機數(shù)，檢測通訊板B接收數(shù)據(jù)，如果不同則作加1計數(shù)。反之將通訊板B作為輸出，通訊板A作為輸入，進行相同測試。測試200萬次循環(huán)未見異常。
2 軟件設(shè)計
2．1 軟件流程圖
在該通訊板的設(shè)計中，控制部分的核心采用了PC／104嵌入式計算機系統(tǒng)。由于PC／104嵌入式計算機系統(tǒng)幾乎具有和一般的PC機一樣的強大功能，所以該通訊板的開發(fā)是在和系統(tǒng)模塊棧接在一起后，直接在嵌入式計算機上進行的。這些工作都是采用C語言進行編程設(shè)計的。采用C語言的優(yōu)點在于其快速性、高效性。在利用嵌入式計算機強大資源的條件下，C語言能滿足模塊的實時性要求。在系統(tǒng)軟件的設(shè)計中，采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計方法，滿足了儀器功能的要求。本接口系統(tǒng)的軟件任務基本為在CAN協(xié)議芯片SJA1000T有中斷發(fā)生時，根據(jù)SJA1000T的中斷寄存器的內(nèi)容完成相應的操作(如發(fā)送、接收數(shù)據(jù)幀等)。其流程圖如圖4所示。
系統(tǒng)設(shè)計中要進行接口驅(qū)動程序的設(shè)計，為保證操作系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，驅(qū)動程序必須按一定的規(guī)范來編寫。本系統(tǒng)的驅(qū)動程序主要考慮以下內(nèi)容：設(shè)置端口和中斷號，設(shè)置通訊板通訊默認參數(shù)，通訊板內(nèi)存分配，映射I／O地址，創(chuàng)建通訊板事件和數(shù)據(jù)接收事件，初始化中斷等。
SJA1000T初始化只有在復位模式下才能進行，初始化主要包括：工作方式的設(shè)置、接收濾波方式的設(shè)置、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設(shè)置、波特率設(shè)置和中斷允許寄存器的設(shè)置等。SJA1000T在完成初始化后就可以回到工作狀態(tài)進行正常的通訊任務了。
2．2 CAN多幀數(shù)據(jù)通信打包和解包技術(shù)
CAN通信數(shù)據(jù)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀最多發(fā)送8個字節(jié)的有效數(shù)據(jù)，總線的有效傳輸速率很低，當在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量超過8個字節(jié)有效數(shù)據(jù)時，給用戶編程帶來了一定的困難。利用如圖5所示的CAN的數(shù)據(jù)包格式，只需將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行相應的打包和解包操作即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的單幀和多幀傳輸，有效地簡化了數(shù)據(jù)通信。
采用如圖5所示的CAN數(shù)據(jù)包格式，無論是單幀還是多幀傳輸，只要把數(shù)據(jù)填入相應的發(fā)送緩沖區(qū)即可，在接收方，則將數(shù)據(jù)解包并放入接收緩沖區(qū)即可。與上述數(shù)據(jù)包格式相對應，當CAN總線進行多幀傳輸時，其CAN的多幀數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)如圖6所示。
在圖6中，當發(fā)送的有效數(shù)據(jù)個數(shù)不超過4個時，一幀數(shù)據(jù)即可傳輸；當有效數(shù)據(jù)超過4個時，則需要多幀傳輸。此處的地址變址是指從發(fā)送緩沖區(qū)所取的存放于該幀的第一個有效數(shù)據(jù)的存儲地址相對于緩沖區(qū)首地址的偏移量，如第一幀中地址變址為4，第二幀中的地址變址是10。地址變址的設(shè)置，使得對數(shù)據(jù)包的解包和打包實現(xiàn)起來較容易。
3 結(jié) 語
該通訊板設(shè)計簡單，只需一塊FPGA，一個CAN控制器SJA1000T和收發(fā)器PCA82C250，為增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在通信通道上均采用光電隔離技術(shù)，保護PC機避免因地環(huán)流而損壞，增強系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。該通訊板采用的CAN數(shù)據(jù)包格式提高了總線的有效傳輸速率，經(jīng)測試達到500 Kb／s，提高了通訊板通訊的實時性。本設(shè)計方案已成功應用于工業(yè)控制器中，效果理想。
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