基于PCI總線的四通道CAN通訊卡的設(shè)計

摘要：為了完成核電現(xiàn)場I/O模塊和控制站之間的數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計了一種基于PCI總線的四通道CAN通訊卡，每個CAN通道連接32個單通道I/O模塊，每隔25 ms采集I/O模塊的數(shù)據(jù)一次，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集總量為400個模擬量和112個開關(guān)量。本設(shè)計采用兩個CPU，使每個中斷服務(wù)時間占用中斷間隔的百分比提高了19%。本文重點闡述了具體的硬件電路設(shè)計，包括原理設(shè)計、芯片選型、PCB制作等，具有高速度和低成本的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：PCI總線;數(shù)據(jù)采集;CAN通訊;雙口RAM

PCI總線(peripheral component interconnect)俗稱外部部件互聯(lián)總線，是由美國Intel公司率先提出的一種先進的高性能局部總線，不依附于某個具體的處理器。比起IS A、EISA和MC等標(biāo)準(zhǔn)總線，更能滿足人們對微機系統(tǒng)I/O帶寬的要求。PCI總線的時鐘頻率為0～33 MHz，其最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達到528 Mbps，PCI局部總線的引入，打破了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，使數(shù)據(jù)的實時高速采集和傳輸成為可能。CAN總線是一種全數(shù)字化、雙向和多主的現(xiàn)場總線，具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等優(yōu)點，應(yīng)用廣泛。

1 CAN通訊卡的設(shè)計原理

四通道CAN通訊卡介于核電現(xiàn)場I/O模塊和主站之間，是一塊基于PCI總線的高速數(shù)據(jù)采集卡。一塊通訊卡上有4個CAN通道，每個 CAN通道連接32個單通道I/O模塊。每隔25 ms采集I/O模塊的數(shù)據(jù)一次，通過CAN通訊接口傳送到微控制器80C196KB，經(jīng)過處理后再通過8K*8的雙口RAM經(jīng)由PCI總線控制器上傳給主機。主機對I/O模塊的初始化、對時等操作由80C196KB通過CAN通訊下傳到單通道I/O模塊。其具體的邏輯框圖如圖1所示。

根據(jù)核電站試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集總量為400個模擬量和112個開關(guān)量。每個采集模塊采集一個點，因而共有512個采集模塊，這些采集模塊分布在兩個機柜中。所有這些采集模塊的數(shù)據(jù)都是通過CAN總線分別傳送到數(shù)據(jù)采集柜中的兩臺數(shù)據(jù)采集計算機，進行量程轉(zhuǎn)換和相關(guān)處理，送到數(shù)據(jù)處理計算機。每臺數(shù)據(jù)采集計算機上有2塊4通道智能CAN總線通訊卡，即8條CAN總線通道，分別將兩個機柜的采集信號轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)采集計算機上進行處理。因而每根CAN總線傳送32個采集模塊的數(shù)據(jù)。

鑒于四通道CAN通訊卡的數(shù)據(jù)采集功能，該卡的工作流程是：CPU每隔25 ms(最小巡檢周期)掃描四條CAN總線上的128個采集模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后送給PCI總線，最后到達數(shù)據(jù)采集計算機。

由于CAN卡的數(shù)據(jù)采集量比較大，根據(jù)掃描周期，對CPU而言，每秒鐘由CAN總線控制器產(chǎn)生的中斷有32*4*1 000/25=5 120個，則每個中斷之間的間隔為1 000 000/5120= 195.3μs。這對于CPU提出了很高的要求。如采用一個80C196KB，由于其單指令周期為0.125μs，假設(shè)每個中斷服務(wù)指令需300條匯編指令，平均每條匯編需兩個單指令周期，即0.25μs，則每個中斷服務(wù)程序需300*0.25=75μs，占用這個中斷間隔的 75/195.3=38.4%。這些數(shù)據(jù)表明即使處理速度滿足要求，CPU的資源也是比較緊張的。若采用兩個80 C196KB，則每個CPU處理的中斷為5 120/2=2 560，每個中斷之間的間隔195.3*2=390.6μs，每個中斷服務(wù)程序時間占用這個中斷間隔的75/390.6=19.2%，這對每個CPU而言，就輕松多了。

根據(jù)上述分析，決定采用兩個CPU(分別稱為CPU和從CPU)。從CPU只負責(zé)采集兩個CAN通道數(shù)據(jù)，通過雙口RAM向主CPU發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。主 CPU不僅負責(zé)采集兩個CAN通道數(shù)據(jù)，還負責(zé)和PCI總線接口，將從CPU采集的數(shù)據(jù)和自身采集的數(shù)據(jù)一起向PCI總線傳輸。同時，主CPU接收到 PCI總線上的命令字和數(shù)據(jù)后，還需通過雙口RAM將它們傳送給從CPU，以確保主、從CPU進行數(shù)據(jù)采集的一致性和完整性。

2 芯片介紹

2.1 PCI總線控制器

PCI總線控制器采用AMCC公司的S5920，S5920是符合PCI2.2規(guī)范的從方式接口控制器，他只能工作于從方式(slave)。Add-On 側(cè)有兩種工作方式：郵箱方式(MAILBOX)和直通方式(PASS—THRU)方式。PASS—THRU方式又分PASSIVE和ACTIVE方式。根據(jù)各種方式的側(cè)重點不同，我們采用PASS—THRU的ACTIVE方式。它操作簡單，對時序要求較少，比較適合大量數(shù)據(jù)的傳輸。四通道CAN通訊卡的資源申請采用非易失性RAM(NVRAM)——串行EEPROM AT24C04來實現(xiàn)。

2.2 CPU

采用Intel的16位微控制器80C196KB，它是Intel公司性能最強的CMOS芯片，其片內(nèi)集成有8路A/D轉(zhuǎn)換器，包括一個 8通道多路模擬開關(guān)，采樣保持電路和10位A/D轉(zhuǎn)換器。與96系列微控制器相兼容，并增加了許多新功能。具有高速I/O子系統(tǒng)、中斷源及中斷向量顯著增加(28個中斷源，18個中斷向量)，可動態(tài)配置8位或16位總線寬度。

2.3 雙口RAM

接口卡含有板級CPU總線和主站ISA總線。兩條總線通過8K*8的雙口RAM交換數(shù)據(jù)。通過雙口RAM，主站直接控制接口卡、并與其交換靜態(tài)數(shù)據(jù)，主站和接口卡協(xié)調(diào)的依據(jù)是郵箱命令。雙口RAM的詳細內(nèi)存地址分配如表1所示。

2.4 CAN通訊接口

CAN控制線采用Philips公司的SJA1000，它與PCA82C200管腳兼容。具有擴展的接收緩沖器，64字節(jié)的FIFO結(jié)構(gòu)，支持CAN2.0B協(xié)議。24 MHz晶振頻率下，傳輸速率高達1.M bits/s。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。物理傳輸層采用EIA RS485，故采用高速光電隔離器件HCPL0611，保證電氣上無干擾，隔離電壓達到500 V以上，提高整個系統(tǒng)的測量精度。收發(fā)器采用Philips公司的PCA82C250芯片，其可以提供對總線數(shù)據(jù)的差動發(fā)送能力和對通信總線數(shù)據(jù)的差動接收能力。

2.5 譯碼電路

譯碼電路采用ALTERA公司的EPM7128S CPLD。它具有高阻抗、電可擦等特點，可用門單元為2 500個，管腳間最大延遲5 ns，工作電壓5 V，輸入輸出線數(shù)84，并且它集邏輯譯碼、總線接口等于一體，十分方便。圖3為EPM7128S的功能邏輯框圖，其與PCI總線的連接示意圖如圖4所示。

2.6 微處理器監(jiān)控故障自復(fù)位電路

復(fù)位電路采用MAXIM公司的MAX823看門狗電路，如圖5所示，以它為核心可以完成以下幾項功能：

1)上電和手動復(fù)位;

2)監(jiān)視定時器(看門狗)復(fù)位。

單排兩針跨接器JP3、JP4分別用于2個80C196KB的電源監(jiān)控和硬件看門狗復(fù)位?？缃颖硎驹试S看門狗復(fù)位，否則禁止看門狗復(fù)位。

3 CAN通訊卡的PCB設(shè)計

在設(shè)計PCB時，我們采用Mentor Graphics公司的PADS2005軟件，它包括整個完整的PCB設(shè)計過程，涵蓋了從原理圖網(wǎng)表導(dǎo)入，規(guī)則驅(qū)動下的交互式布局布線，DRC/DFT/DFM檢查與分析，直至最終Gerber生產(chǎn)文件、裝配及物料清單輸出等全方位的功能需求。良好的PCB設(shè)計不僅可以增加PCB的視覺美感，更能提高系統(tǒng)的抗干擾能力。在數(shù)據(jù)采集卡的PCB制作中，要考慮插卡的高頻性能、電源去耦與干擾的抑制、接地方式的選擇等因素。

3.1 PCB層數(shù)的選擇

在制作PCI板卡時，選擇制作四層的PCB板，其堆疊方式如圖6所示，這樣因使用了Power及Ground平面層，EMI之特性有很大改善。

3.2 去耦電容

由于一些高速信號，噪聲頻率比較高，我們采用0.1μF的電容作為去耦電容，并使之盡量靠近IC的電源地管腳，使其與電源和地之間形成的回路最短。對于從外部連接器進來的信號線使用的旁路電容，要靠近連接器放置，以減小外部連接線可能引入的干擾在板上傳播。

3.3 電源設(shè)計

為了防止數(shù)字器件所帶來的高頻噪聲對模擬器件造成影響，將模擬信號的地與數(shù)字信號的地的走線分開，然后在PCB上找一個適當(dāng)?shù)奈恢脤烧邌吸c連通。系統(tǒng)的模擬地和數(shù)字地的共地點一般選擇ADC芯片上引腳所需電流最大的地方，以便使大電流對地回流路徑最短，減少對模擬電路的電磁干擾，提高系統(tǒng)精度。因為快速的數(shù)字振蕩可能將轉(zhuǎn)換噪聲禍合到模擬電源中，所以模擬電源和數(shù)字電源應(yīng)該分開供電。在數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計中，模擬電路直接由DC—DC隔離電源供電，數(shù)字電源直接由PCI插槽中的+5V和+3.3V供電。

3.4 走線要求

PCI總線的32位部分的所有信號最大走線長度必須限定在1 500 mil以內(nèi)，PCI時鐘信號線的長度必須是2 500 mil(±100 mil)，并且只能和插卡上的一個負載連接。該引線只能在PCB一面走線且在轉(zhuǎn)角處用弧形，切忌用直角，銳角，可用“蛇”形走線來滿足長度要求。

另外，對于電源線和地線的線寬，通常是地線比電源線窄，即：信號線<電源線<地線，信號線寬通常為：0.2～0.3 mm，電源線為1.2～2.5 mm。地線盡量采用大面積覆銅的方式來增大地線面積減小接地阻抗，提高電路板的抗干擾能力。

3.5 時鐘信號的保護

為了滿足高速數(shù)字信號的要求，PCB布線要求滿足盡量減少傳輸延遲、減少信號損耗等。數(shù)據(jù)采集板上PCI時鐘信號和AD采樣、鎖存、FIFO的讀和寫這些頻率較高的時鐘信號，應(yīng)在PCB布線時在兩邊設(shè)置地線加以保護。

4 結(jié)束語

使用基于PCI總線的高速數(shù)據(jù)采集卡是現(xiàn)代信號處理中實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)進機存儲的重要方法。本方法所設(shè)計實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也可應(yīng)用于通信振動工程、語音處理、工業(yè)自動控制以及生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域。目前我國的數(shù)字化儀控系統(tǒng)還處于初級階段，核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)的國產(chǎn)化是我國核電儀控事業(yè)發(fā)展的必由之路。該高速數(shù)據(jù)采集卡將應(yīng)用在嶺澳核電站BOPLOT KDO/KME項目中，完成現(xiàn)場I/O模塊和控制站之間的數(shù)據(jù)傳輸，每隔25 ms采集一次數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了高速度和低成本的優(yōu)點。