基于FPGA的PC／104

0 引 言

PC／104嵌入式控制PC出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代末，并于1992年形成IEEEP966．1標(biāo)準(zhǔn)。它一方面繼承了PC的所有資源，另一方面又對(duì)PC的各個(gè)方面做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(diǎn)。采用了獨(dú)特的“自棧式”總線連接、模塊化結(jié)構(gòu)，使用起來(lái)靈活方便；采用面向?qū)ο蟮挠布O(shè)計(jì)方法，使得在PC／104標(biāo)準(zhǔn)上開(kāi)發(fā)的擴(kuò)展模塊具有更強(qiáng)的通用性和更長(zhǎng)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(yīng)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(dǎo)航、通訊、數(shù)控、自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備、便攜式計(jì)算機(jī)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(shí)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(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼的方法，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制。它具有總線仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、自動(dòng)重發(fā)等功能。由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線具有高實(shí)時(shí)性、卓越性能、高可靠性、能獨(dú)特靈活設(shè)汁和低廉價(jià)格，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、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(rèn)為是幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。隨著科技的發(fā)展，同一系統(tǒng)應(yīng)用多種總線技術(shù)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。本設(shè)計(jì)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(shì)互補(bǔ)，使兩總線有更大應(yīng)用價(jià)值和更廣闊的使用前景。

1 硬件設(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用PC／104模板形式，具有很強(qiáng)的方便性和可擴(kuò)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(shí)復(fù)用的總線結(jié)構(gòu)，因此系統(tǒng)使用FPGA器件EP20K100實(shí)現(xiàn)總線轉(zhuǎn)換和時(shí)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(qiáng)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(shí)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(guò)30 MHz。

1．2 FPGA設(shè)計(jì)

QuartusⅡ是Altera公司在21世紀(jì)初推出的FP-GA／CPLD開(kāi)發(fā)環(huán)境，是Altera前一代FPGA／CPLD集成開(kāi)發(fā)環(huán)境MAx+PlusⅡ的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其功能強(qiáng)大，界面友好，使用便捷。QuartusⅡ軟件集成了Al-tera的FPGA／CPLD開(kāi)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(kāi)發(fā)流程如圖2所示。

采用原理圖輸入和硬件描述語(yǔ)言相結(jié)合的方式，進(jìn)行編譯后寫(xiě)人器件中；同時(shí)可在線更改寫(xiě)入內(nèi)容，修改和調(diào)試簡(jiǎn)單易行。FPGA的設(shè)計(jì)主要由兩部分組成：第一部分實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換，第二部分實(shí)現(xiàn)地址譯碼和地址數(shù)據(jù)線的復(fù)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(dú)立的，SJA1000T的地址總線和數(shù)據(jù)總線是分時(shí)復(fù)用的，所以它們之間不能直接相連，必須通過(guò)時(shí)序邏輯控制，再配合軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)讀／寫(xiě)操作。對(duì)SJA1000T的操作方法是：首先，對(duì)地址為CAN首地址+0(A2A1A0=000)的端口進(jìn)行寫(xiě)操作(WR為低，有效)，CANALE為高，有效，此時(shí)復(fù)用的地址、數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)被視為地址信號(hào)，進(jìn)入SJA1000T內(nèi)部鎖存器；然后，對(duì)地址為cAN首地址+1(A2A1A0=001)的端口進(jìn)行讀或?qū)懖僮?RD／WR為低，有效)，CANALE為低，上述中的地址信號(hào)已被鎖存，此時(shí)復(fù)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(hào)，這樣即可完成對(duì)SJA1000T的各個(gè)寄存器和緩沖區(qū)的讀或?qū)懖僮鳌?/P>

1．3 硬件電路測(cè)試

主要檢測(cè)硬件結(jié)構(gòu)及電路板設(shè)計(jì)是否正確。建立一個(gè)簡(jiǎn)單的通訊連接，將兩個(gè)通訊板連接進(jìn)行測(cè)試，用通訊板A作為輸出，通訊板B作為輸入。編程通過(guò)通訊板A發(fā)送數(shù)據(jù)，內(nèi)容為8個(gè)隨機(jī)數(shù)，檢測(cè)通訊板B接收數(shù)據(jù)，如果不同則作加1計(jì)數(shù)。反之將通訊板B作為輸出，通訊板A作為輸入，進(jìn)行相同測(cè)試。測(cè)試200萬(wàn)次循環(huán)未見(jiàn)異常。

2 軟件設(shè)計(jì)

2．1 軟件流程圖

在該通訊板的設(shè)計(jì)中，控制部分的核心采用了PC／104嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于PC／104嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)幾乎具有和一般的PC機(jī)一樣的強(qiáng)大功能，所以該通訊板的開(kāi)發(fā)是在和系統(tǒng)模塊棧接在一起后，直接在嵌入式計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的。這些工作都是采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程設(shè)計(jì)的。采用C語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)在于其快速性、高效性。在利用嵌入式計(jì)算機(jī)強(qiáng)大資源的條件下，C語(yǔ)言能滿足模塊的實(shí)時(shí)性要求。在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中，采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)方法，滿足了儀器功能的要求。本接口系統(tǒng)的軟件任務(wù)基本為在CAN協(xié)議芯片SJA1000T有中斷發(fā)生時(shí)，根據(jù)SJA1000T的中斷寄存器的內(nèi)容完成相應(yīng)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(jì)中要進(jìn)行接口驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，為保證操作系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，驅(qū)動(dòng)程序必須按一定的規(guī)范來(lái)編寫(xiě)。本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序主要考慮以下內(nèi)容：設(shè)置端口和中斷號(hào)，設(shè)置通訊板通訊默認(rèn)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(fù)位模式下才能進(jìn)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(jìn)行正常的通訊任務(wù)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(gè)字節(jié)的有效數(shù)據(jù)，總線的有效傳輸速率很低，當(dāng)在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量超過(guò)8個(gè)字節(jié)有效數(shù)據(jù)時(shí)，給用戶編程帶來(lái)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(jìn)行相應(yīng)的打包和解包操作即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的單幀和多幀傳輸，有效地簡(jiǎn)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(wú)論是單幀還是多幀傳輸，只要把數(shù)據(jù)填入相應(yīng)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(duì)應(yīng)，當(dāng)CAN總線進(jìn)行多幀傳輸時(shí)，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(dāng)發(fā)送的有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不超過(guò)4個(gè)時(shí)，一幀數(shù)據(jù)即可傳輸；當(dāng)有效數(shù)據(jù)超過(guò)4個(gè)時(shí)，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(gè)有效數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址相對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)包的解包和打包實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易。

3 結(jié) 語(yǔ)

該通訊板設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需一塊FPGA，一個(gè)CAN控制器SJA1000T和收發(fā)器PCA82C250，為增強(qiáng)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(hù)PC機(jī)避免因地環(huán)流而損壞，增強(qiáng)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(cè)試達(dá)到500 Kb／s，提高了通訊板通訊的實(shí)時(shí)性。本設(shè)計(jì)方案已成功應(yīng)用于工業(yè)控制器中，效果理想。

[1].SJA1000Tdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/SJA1000T_609076.html.
[2].EP20K100datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/EP20K100_1438301.html.
[3].6N137datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/6N137_91364.html.
[4].CPLDdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
[5].PCA82C250datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PCA82C250_542618.html.