PCI9052在多功能CAN適配卡中的應(yīng)用研究

0 引言

PCI總線是一種獨立于CPU的局部總線，實現(xiàn)PCI接口的方案一般有兩種：采用可編程邏輯器件和專用總線接口器件。采用可編程邏輯器件實現(xiàn)PCI接口的好處是比較靈活，但其設(shè)計難度很高，因為PCI總線對負載要求、傳輸數(shù)據(jù)的建立時間的要求都比較苛刻，同時還需要器件內(nèi)部實現(xiàn)用于配置的各類寄存器，以及完成邏輯校驗、地址譯碼等工作的寄存器。此外，還需加入FIFO、用戶寄存器組和后端設(shè)備接口等部分。設(shè)計這種PCI總線接口會導(dǎo)致將大量的人力、物力投入到復(fù)雜的邏輯驗證和時序分析的工作上，開發(fā)周期較長。采用專用接口器件雖然沒有采用可編程邏輯器件那么靈活，但能夠有效地降低接口設(shè)計的難度，縮短開發(fā)時間。專用接口器件具有較低的成本和很高的通用性，能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸，提供配置空間，具備用于突發(fā)傳輸功能的片內(nèi)FIFO，提供擴展局部總線等優(yōu)點，并且許多公司還提供配套的開發(fā)工具，使用很方便，開發(fā)周期短。 PCI9052是PLX公司開發(fā)的低價格PCI總線從模式接口芯片，低功耗，符合PCI2.1規(guī)范，提供的局部總線(Local Bus)可通過編程設(shè)置為8/16/32位的(非)復(fù)用總線。PCI9052提供的局部總線不但可編程，而且與PCI總線的時鐘相互獨立運行，可實現(xiàn)異步操作，總線操作自動實現(xiàn)時序同步。兩總線的異步運行方便了高、低速設(shè)備的兼容。

1 硬件設(shè)計

為了充分利用硬件的有用資源，該多功能適配卡不僅要實現(xiàn)與CAN總線進行通信，還具有A/D、D/A及I/O功能，實現(xiàn)對CAN通信和數(shù)據(jù)采集等功能。PCI9052有5個地址映射空間，要實現(xiàn)這些功能，通過PCI9052來連接是能夠滿足要求的。I/O采用IO映射空間，CAN、A/D和D/A采用Memory地址映射空間，也可都采用Memory方式，這些地址空間的配置是在EEPROM中進行配置的。根據(jù)采樣精度要求，A/D芯片采用的是16位單通道并行通信的AD976芯片，轉(zhuǎn)換時間10us，為了實現(xiàn)多通道輸入，須在模擬輸入端加一多路開關(guān)MAX308ESE。D/A芯片采用的是16位8通道芯片DAC7644E，轉(zhuǎn)換時間10us。CAN控制芯片采用PHLIPS的SJA1000，同時須接一CAN驅(qū)動芯片82C250。另外，PCI9052需要一片EEPROM芯片用來存儲PCI9052的初始化配置參數(shù)?？膳cPCI9052匹配的芯片有Microchip Technology 1K 93AA46、93C46B、93LC46B，還有其他廠商的。在選擇EEPROM時一定可參考PCI9052的推薦說明，這里采用的是1K的93LC46B。其原理結(jié)構(gòu)如圖1：

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2  軟件設(shè)計
軟件設(shè)計包括WDM驅(qū)動程序、API接口函數(shù)和應(yīng)用程序設(shè)計，這里主要介紹驅(qū)動程序設(shè)計。對于WDM驅(qū)動程序，要獲得正確的地址分配值，必須正確地設(shè)置配置參數(shù)，9052內(nèi)部的配置寄存器是通過外部串行E2PROM上電加載的。9052會自動根據(jù)該E2PROM的狀態(tài)來決定其內(nèi)部寄存器的值。如果E2PROM不存在（此時E2PROM和9052連接的數(shù)據(jù)引腳應(yīng)加上拉電阻或其內(nèi)部無有效值，9052會將其內(nèi)部寄存器配置為缺省值。值得一提的是，如果E2PROM內(nèi)部沒有燒寫為有效值時，應(yīng)保證其開始48位為全“1”；否則，系統(tǒng)上電時可能會產(chǎn)生錯誤。9052有5個本地空間，用戶可根據(jù)實際需要進行相應(yīng)的配置。當將本地空間配置成I/O時，對該空間的讀/寫操作只能單次進行。配置成存儲器空間，用戶會有多種接入模式，可大大提高接入速度。
該多功能設(shè)配卡驅(qū)動程序的開發(fā)采用支持Windows2000的WDM驅(qū)動程序。開發(fā)工具采用Visual C++6.0、Win2000 DDK及DriverStudio2.7。采用DriverStudio向?qū)Чぞ呱沈?qū)動程序框架和調(diào)試程序，在利用向?qū)r需正確填寫PCI Vendor ID和PCI Device ID，否則，在安裝驅(qū)動程序時查找不到正確的硬件設(shè)備，導(dǎo)致無法安裝驅(qū)動。
由于WDM驅(qū)動程序運行在系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)，編寫非常復(fù)雜，在應(yīng)用程序和硬件進行數(shù)據(jù)交換中，可以采用幾種方式進行通信：I/O控制方式、直接讀寫方式、中斷方式和DMA方式。由于CAN總線的最高速率是1Mbps，所以我們采用IO控制操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送，在驅(qū)動程序派遣例程中實現(xiàn)這些操作，在API函數(shù)中提供這些操作的接口，應(yīng)用程序可使用標準Win32 API函數(shù)DeviceIoControl來數(shù)據(jù)讀寫，也可以采用DriverStudio向?qū)Чぞ弋a(chǎn)生的DeviceControl來操作，在這里我們將它集成到對應(yīng)的API函數(shù)里，生成相應(yīng)的靜態(tài)庫或者動態(tài)連接庫的形式提供給應(yīng)用程序。    定義了7個IO控制代碼：
IOCTL_HIL100_READ_IO_DATA（用于讀I/O口數(shù)據(jù)）
IOCTL_HIL100_READ_AD_DATA（用于讀AD數(shù)據(jù)）
IOCTL_HIL100_READ_DA_DATA （用于讀DA數(shù)據(jù)）
IOCTL_HIL100_READ_CAN_DATA（用于讀CAN數(shù)據(jù)）
IOCTL_HIL100_WRITE_IO_DATA（用于寫I/O口數(shù)據(jù)）
IOCTL_HIL100_WRITE_DA_DATA（用于寫DA數(shù)據(jù)）
IOCTL_HIL100_WRITE_CAN_DATA（用于寫CAN數(shù)據(jù)）
這些控制代碼在驅(qū)動程序的DeviceControl(KIrp I)函數(shù)中調(diào)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;
 }
 ………………………….
 }
在該函數(shù)進行驅(qū)動中相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與傳遞，包括從內(nèi)存中讀上層應(yīng)用程序發(fā)送下來的數(shù)據(jù)或?qū)D、CAN等外設(shè)傳遞上來的數(shù)據(jù)送到上層應(yīng)用程序。
API函數(shù)主要提供了PCI卡的開關(guān)，A/D、D/A、I/O的讀寫函數(shù)，CAN的設(shè)置、讀寫，中斷事件消息函數(shù)等。API函數(shù)與以上控制代碼相關(guān)聯(lián)，傳遞數(shù)據(jù)和控制參數(shù)。如下程序所示：
bool WriteDataToIO(unsigned char data)    //寫數(shù)據(jù)到IO口
{
    ……
 ULONG BytesReturned;
    if (!DeviceIoControl(hHIL100, IOCTL_HIL100_WRITE_IO_DATA, &data, 1,
  NULL, 0, &BytesReturned, NULL))
……
}
bool ReadDataFromIO(unsigned char *data) //從IO口讀數(shù)據(jù)
{
 ……
 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])//寫數(shù)據(jù)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])
{                                                               //從AD讀數(shù)據(jù)
 ……
 ULONG BytesReturned;
 if (!DeviceIoControl(hHIL100, IOCTL_HIL100_READ_AD_DATA,address,16,
  &data,16, &BytesReturned, NULL))
 ……
}
bool ReadDataFromDA (unsigned char address,unsigned short *data)//從DA讀數(shù)據(jù)
{
 ……
 ULONG BytesReturned;
 if (!DeviceIoControl(hHIL100, IOCTL_HIL100_READ_DA1_DATA,&address,1,
  data, 2, &BytesReturned, NULL))
 ……
}
將這些接口函數(shù)生成動態(tài)鏈接庫的形式，供上層應(yīng)用程序調(diào)用。
3   結(jié)束語
由于PCI總線的高速特性，使其被廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)中，有效地解決了實時采集、實時傳輸和實時存儲等問題。而PCI總線控制器專用芯片的出現(xiàn)則縮短了PCI總線硬件設(shè)備的開發(fā)周期，使得硬件設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性都有了較大的提高。在開發(fā)過程中，尤其對于高速采樣及實時嚴格的系統(tǒng)，我們實現(xiàn)了對該系統(tǒng)高效率的操作特性，該研究有效的解決了高速實時采集、實時傳輸和實時存儲等的驅(qū)動問題。同時該PCI多功能CAN適配卡既實現(xiàn)了CAN總線通信功能，同時也實現(xiàn)了多路通道的數(shù)據(jù)采集和相應(yīng)控制。
3 本文的創(chuàng)新觀點
1) 本文將API函數(shù)與控制代碼建立起關(guān)聯(lián)
2) 本文將應(yīng)用程序集成到對應(yīng)的API函數(shù)里