基于CAN總線的非智能適配卡設(shè)計

時間：2006-10-17 10:39:00

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[導讀]筆者設(shè)計了一種基于CAN總線的非智能適配卡。該適配卡已應用于筆者研制的"基于CAN總線的運動控制系統(tǒng)"中，運行情況良好。

引言

控制器局域網(wǎng)CAN (Controller Area Network)是目前被批準為國際標準的少數(shù)現(xiàn)場總線之一。CAN網(wǎng)絡(luò)可采用多主方式工作。它采用非破壞性的總線仲裁技術(shù)，其信號傳輸和控制采用短幀結(jié)構(gòu)，因而具有較強的抗干擾能力和低耦合性；CAH網(wǎng)絡(luò)的通訊速率范圍為5 kbs／10 km～lMbs／／40m，驅(qū)動節(jié)點數(shù)可達110個。它的傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇十分靈活；每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，因而數(shù)據(jù)出錯率極低，可靠性很高；當其傳輸?shù)男畔⒊鲥e嚴重時，節(jié)點可自動斷開與總線的聯(lián)系，以使總線上其它的操作不受影響。

雖然目前PCI、USB等總線技術(shù)得到了快速發(fā)展，但在大量應用的測試微機及工控機中，用的最多的還是ISA (Industry Standard Architecture．工業(yè)標準體系結(jié)構(gòu))總線。ISA總線具有16位數(shù)據(jù)寬度，最高工作頻率為8MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率達到16MB／s，地址總線有24條，可尋址16MB的地址單元，其總線信號分為5類，分別為地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、時鐘線和電源線。

為了解決CAN控制器SJA1000與ISA總線各信號線的時序配合與邏輯配合問題，筆者設(shè)計了一種基于CAN總線的非智能適配卡。該適配卡已應用于筆者研制的"基于CAN總線的運動控制系統(tǒng)"中，運行情況良好。

非智能型ISA總線CAN適配卡的總體結(jié)構(gòu)

CAN控制器SJA1000的地址數(shù)據(jù)總線是分時復用的，通過ALE信號的下降沿可鎖存總線上的地址信號；ISA總線上的地址和數(shù)據(jù)總線是單獨提供的，它不能直接和SJA1000的地址數(shù)據(jù)總線相連。本設(shè)計利用地址譯碼電路來對地址信號線進行譯碼，從而為CAN適配卡分配出一定的端口地址。然后再利用74HC373芯片的數(shù)據(jù)鎖存功能鎖存第一次I／O操作中通過ISA數(shù)據(jù)總線傳送的數(shù)據(jù)信號，以便作為訪問CAN控制器SJA1000中寄存器的地址信號，最后在第二次I／O操作中完成對SJA1000中相應地址寄存器的讀寫操作。其適配卡的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，地址鎖存器74HC373可看作SJA1000的地址端口，而SJA1000本身可看作SJA1000的數(shù)據(jù)端口，另外還有對SJA1000進行硬件復位的復位端口。圖中的基地址譯碼電路以AEN作為使能信號，對A2～A9地址信號進行譯碼就可得到適配卡的基地址；組合AO和A1地址信號可得到各端口的偏移地址。SJA1000與ISA的通訊采用兩次I／O操作的方法，第一次先往地址端口送地址，第二次再對數(shù)據(jù)端口進行訪問。這里所說的地址及數(shù)據(jù)端口都是對SJAl000而言的，通過ISA總線的數(shù)據(jù)線可獲得被訪問的SJA1000寄存器的地址及所傳送的數(shù)據(jù)?？刂贫丝谧g碼電路可將CPU送來的控制信號和地址信號按一定的邏輯關(guān)系進行組合，從而生成一組新的功能信號作為接口控制信號。通過SJA1000復位電路可對SAJ1000進行復位，具體操作可采用上電復位、程序復位及按鍵復位三種硬件復位方式。

適配卡硬件的設(shè)計

基地址譯碼電路設(shè)計

圖2所示是一種具體的基地址譯碼電路。一般情況下，根據(jù)系統(tǒng)需要，地址譯碼電路可對ISA地址線的端口地址譯碼，并可用AO～A9來表示?；刂纷g碼電路對A9～A2進行譯碼，則可作為卡上端口的基地址。

圖2中，74HC688是一個8位量值比較器，當時Pi=Qi(i=0…7)，P=Q的反端輸出低電平。當ISA總線的AEN為高電平時，總線工作在DMA方式；而當AEN為低電平時，CPU擁有對總線的控制權(quán)。非智能型適配卡的工作過程實際上就是CPU對I／O的操作過程，期間，AEN始終為低電平，可用于控制74HC688的選通端G反。只有在I／O操作時，才允許它選擇地址。由于使用的是撥碼開關(guān)，用戶可預先設(shè)定適配卡的基地址?？ㄉ细鞫丝诘钠朴葾1和A0選擇，并可通過軟件控制，本設(shè)計中的定義地址端口偏移為00，數(shù)據(jù)端口偏移為01，復位端口偏移為11。

控制信號產(chǎn)生電路

該適配卡的控制信號產(chǎn)生電路如圖3所示。該電路的主要作用是把CPU送來的控制線和地址線按照一定的邏輯關(guān)系進行組合，以生成一組新的功能信號輸出。該信號可作為接口控制信號去控制SJA1000、74HC373、74HC245等芯片的工作狀態(tài)。由于基地址譯碼電路的輸出信號為P=Q的反(低電平有效)，SJA1000地址端口偏移地址為00H，數(shù)據(jù)端口偏移地址為01H，因此，根據(jù)控制邏輯，適配卡中各芯片的控制信號邏輯表達式為：

適配卡在工作過程中，各芯片的邏輯時序關(guān)系是：當74HC373輸出數(shù)據(jù)有效時，74HC245輸出為高阻態(tài)；當74HC373輸出呈高阻態(tài)，且SJA1000的數(shù)據(jù)直接傳回ISA總線時，74HC245輸入輸出工作正常。具體來講，假設(shè)CAN的基地址為300H，且訪問SJA1000是分兩次I／O操作完成的，那么，第一次往端口300H送出的數(shù)據(jù)可在寫信號的后沿被鎖存在74HC373中，這個操作中，74HC245的E與74HC373的LE端有效，而74HC373的OE端為高電平，74HC373輸出端為高阻態(tài)；當?shù)诙卧L問數(shù)據(jù)端口301H時，SJA1000被選中，此時CPU可對SJA1000的相應單元進行讀／寫操作。具體的操作過程分為讀、寫兩種情況。當?shù)诙蜪／O操作到來時，SJA1000會在BALE信號下降沿將第一次I／O操作時鎖存在74HC373中的數(shù)據(jù)作為地址鎖存，該過程中，74HC245的E反為高電平，輸出呈高阻態(tài)，74HC373的OE的反為低電平，輸出端有效，可向SJA1000傳送地址信號。當?shù)刂繁籗JA1000鎖存以后，此時如果進行的是讀操作，那么，在讀信號有效期間(低電平)，74HC373的輸出允許OE反端為高電平，74HC373輸出端呈高阻態(tài)，這時SJA1000可將選中單元的寄存器內(nèi)容輸出到數(shù)據(jù)總線，并通過74HC245驅(qū)動送入CPU中。而在地址鎖存后，如果進行的是寫操作，那么，74HC373的輸出允許端始終有效，此時可在寫信號有效期間，將數(shù)據(jù)寫入SJA1000的相應單元中。

計算機通過ISA總線對CAN控制器SJA1000進行讀寫的時序分別如圖4和圖5所示。

復位電路

SJA1000正常工作前，只有通過復位引腳對其進行可靠的硬件復位，才能對SJA1000中的寄存器進行正確的讀寫操作。使SJA1000可靠復位的電平持續(xù)最小時間為0.1μs，PC系統(tǒng)復位電平持續(xù)時間可達幾微秒。系統(tǒng)復位信號RESET在系統(tǒng)電源接通時為高電平，經(jīng)反向器后可直接用于對SJA1000進行復位。圖6所示是適配卡的復位電路，對SJA1000的復位具有開機上電復位、程序復位以及按鍵復位等三種方式。

在圖6中，A1和A0經(jīng)過與非門74LSl0后，為復位電路產(chǎn)生的偏移地址為11，該地址信號與IOW反、P=Q反等信號經(jīng)過邏輯組合，同時配合程序設(shè)計可產(chǎn)生對SJA1000的復位信號。程序設(shè)計時只需對復位端口寫入一個數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)程序復位。而按鍵復位則可在系統(tǒng)運行出現(xiàn)通信故障時，直接用于對CAN控制器SJA1000進行硬件復位。

適配卡的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的關(guān)鍵部分是CAN通信程序的設(shè)計。通信程序(流程如圖7、8、9所示)可分為三部分：CAN初始化程序、接收程序、發(fā)送程序。初始化是通信的前提，主要完成對CAN控制器的一些寄存器的設(shè)置。由于SJA1000支持中斷操作，因此可以用中斷服務程序來完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，以提高系統(tǒng)的工作效率。

實際上，只有在復位模式下才可以對SJA1000進行初始化，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、波特率參數(shù)設(shè)置和中斷允許寄存器的設(shè)置等。完成初始化后，即可將SJA1000設(shè)置為工作狀態(tài)，以進行正常的通信。發(fā)送子程序負責節(jié)點報文的發(fā)送。發(fā)送時，讀取狀態(tài)寄存器并對各位進行適當判斷，并將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合成一幀報文，送入SJA1000發(fā)送緩存區(qū)中，然后啟動SJA1000發(fā)送；接收子程序則負責節(jié)點報文的接收以及其它情況的處理。在處理接收報文的過程中，還要對總線關(guān)閉、錯誤報警、接收溢出等情況進行處理。

CAN適配卡與計算機可采用中斷方式通信。但在WIN API中不能直接控制中斷，只有在操作系統(tǒng)底層為CAN適配卡編寫虛擬設(shè)備驅(qū)動程序(VxD)才可以利用中斷。這需要在虛擬設(shè)備驅(qū)動程序中將中斷虛擬化，并在中斷事件響應函數(shù)中編寫所需代碼，同時為應用程序提供訪問接口。應當注意的是：計算機通過ISA總線對CAN適配卡上的SJA1000進行訪問采用的是兩次I／O操作，第一次往地址端口送地址，第二次對數(shù)據(jù)端口進行訪問。其具體的實現(xiàn)代碼如下：

／／向指定的SJA1000寄存器(地址為addr)寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)(data)，CAN_BASE為基地址

void CanIRQ：：writeByte(int CAN_BASE，unsigned char addr，unsigned char data)

{

_outp(CAN_BASE，addr)；

_outp(CAN_BASE+1，data)；

}
//從指定的SJA1000寄存器(地址為addr)讀一個字節(jié)數(shù)據(jù)(data)

unsigned char CanIRQ：：ReadByte(int CAN_BASE，unsigned char addr)

{

unsigned char result；

_outp(CAN_BASE，addr)；

result=_inp(CAN_BASE+1)；

return result；

}
在訪問SJA1000的程序中，可以直接調(diào)用以上兩子函數(shù)。這樣，其發(fā)送程序段代碼為：

Bool CanIRQ：：CanTrans(int CAN_BASE，unsigned char*pTransBuf)

{

status=ReadByte(CAN_BASE，SR)；／／SR為狀態(tài)寄存器地址

for(i=0；i
{

WriteByte (CAN_BASE,*pTFansBuf，ptbuf；／／pTransBuf為發(fā)送緩沖區(qū)地址

ptbuf++；pTransBuf++；

}

}

結(jié)束語

通過解決計算機ISA總線與CAN控制器SJA1000的邏輯配合與時序配合可完成基于CAN總線的非智能適配卡設(shè)計。該適配卡現(xiàn)已成功地應用于筆者所研制的基于CAN總線的測控系統(tǒng)中。實際上，若在適配卡上增加CAN通信控制器，也可使一卡帶多條CAN總線，以增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，擴大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。另外，還可以在適配卡的應用程序中，根據(jù)應用系統(tǒng)需要編寫各種監(jiān)控程序來擴展系統(tǒng)功能。