采用LPC2294四路CAN控制器實(shí)現(xiàn)智能通信卡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

LPC2294是PHILIPS公司推出的一款功能強(qiáng)大、超低功耗且具有ARM7TDMI內(nèi)核的32位微控制器。它具有豐富的片上資源，完全可以滿(mǎn)足一般的工業(yè)控制需要，同時(shí)還可以減少系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

CAN（“Controller Area Network”）總線控制器局域網(wǎng)是一種能有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線以其高性能、高可靠性、廉價(jià)等特性，越來(lái)越受到人們的重視和青睞。為了有效的管理工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的CAN節(jié)點(diǎn)，充分發(fā)揮CAN總線的性能，通信卡的設(shè)計(jì)與研究十分必要。但目前市場(chǎng)上類(lèi)似產(chǎn)品存在著兩點(diǎn)不足。

首先是一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中可能擁有不止1條CAN總線，而目前設(shè)計(jì)的通信卡上的CAN的接口太少，因而會(huì)給設(shè)備的集中管理帶來(lái)困難。

二是目前兩條CAN網(wǎng)段問(wèn)的通信主要通過(guò)一對(duì)一CAN總線網(wǎng)橋來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種方式解決不了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中同時(shí)在幾條CAN網(wǎng)段問(wèn)傳輸數(shù)據(jù)的需求，也容易導(dǎo)致組網(wǎng)混亂。

為此，本設(shè)計(jì)選用的ARM控制器LPC2294內(nèi)部集成有四路CAN控制器，完全符合CAN規(guī)范CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)和ISO11989-1標(biāo)準(zhǔn)。全局驗(yàn)收過(guò)濾器可識(shí)別幾乎所有總線的11位和29位Rx標(biāo)識(shí)符。作為本設(shè)計(jì)的核心部件，LPC2294的使用能夠很好地解決上述2個(gè)問(wèn)題，它不僅能擔(dān)起主控制器的工作，同時(shí)還可作為CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸控制器，來(lái)與網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

1 、硬件設(shè)計(jì)方案

目前計(jì)算機(jī)的發(fā)展，除了少數(shù)專(zhuān)門(mén)的工控機(jī)還在使用ISA總線以外，PC機(jī)上使用最為普遍的就是PCI總線了。PCI總線是Intel公司推出的一種高性能32／64位PC機(jī)局部總線，可能同時(shí)支持多組外圍沒(méi)備而不受制于處理器，其數(shù)據(jù)吞吐量很大（33 MHz總線頻率、32位傳輸時(shí)，其峰值可高達(dá)132 MB／s），PCI總線依靠其優(yōu)越的性能必將取代ISA總線。因此，本文基于PCI總線來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)帶有4個(gè)CAN總線網(wǎng)段的智能通信卡。圖1是該通信卡的整體硬件結(jié)構(gòu)圖。

1.1 PCI總線接口的實(shí)現(xiàn)

PCI總線具有非常嚴(yán)格的規(guī)范，也具有良好的兼容性。但是PCI總線協(xié)議也比較復(fù)雜。本設(shè)計(jì)選用專(zhuān)用的PCI總線接口芯片PCI9030來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的PCI總線接口。PCI9030是PLX公司開(kāi)發(fā)的低價(jià)格PCI總線從模式接口芯片。該芯片功耗低，符合PCI2.2規(guī)范，用戶(hù)設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮局部總線一側(cè)的邏輯控制電路和用于配置的外部EEP-ROM，而不必考慮PCI協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)方法，這樣就大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)難度，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

PCI9030要求有一塊EEPROM作為初始化存儲(chǔ)器。在系統(tǒng)加載時(shí)，PCI9030先從該EEPROM中加載初始數(shù)據(jù)，進(jìn)行初始設(shè)置，因此，EEP-ROM中的信息是否正確決定了PCI卡的加載和運(yùn)行是否正常。本設(shè)計(jì)選用ST93CS56作為PCI9030的初始化存儲(chǔ)器，其結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。

1.2 CAN總線接口的實(shí)現(xiàn)

該通信卡中CAN總線接口部分實(shí)現(xiàn)有以下兩種常用的方法：

（1） 獨(dú)立CAN總線控制芯片實(shí)現(xiàn)

即采用飛利浦公司的SJA1000獨(dú)立CAN控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的功能，靈活性也不錯(cuò)，但由于它是獨(dú)立的控制器，設(shè)計(jì)通信卡擁有4個(gè)CAN網(wǎng)段就需要4片SJA1000，這樣會(huì)造成資源冗余，系統(tǒng)會(huì)比較龐大，而且穩(wěn)定性也會(huì)受影響，設(shè)計(jì)難度也較大。

（2） 帶CAN接口的微控制器實(shí)現(xiàn)

該方法具有代表性的有飛利浦公司的ARM芯片LPC2294，它集成有4路片上CAN總線控制器，能很方便地實(shí)現(xiàn)多路CAN總線接口，減小系統(tǒng)規(guī)模，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

比較上述兩種方法，在傳統(tǒng)的SJA1000中，接收過(guò)濾只能滿(mǎn)足一些規(guī)律性較高的ID篩選過(guò)濾，或?qū)€(gè)數(shù)較少的ID （一般小于10～15個(gè)）進(jìn)行任意篩選過(guò)濾，而難以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的任意ID進(jìn)行篩選過(guò)濾，這無(wú)疑增加了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及運(yùn)行負(fù)擔(dān)。

而第二種設(shè)計(jì)方法相對(duì)較為簡(jiǎn)便。由于LPC2294微控制器中為所有CAN控制器提供了全局的接收標(biāo)識(shí)符查詢(xún)功能，因而能容易地設(shè)計(jì)較復(fù)雜的ID接收過(guò)濾，其工作的重點(diǎn)主要在ARM芯片的軟件設(shè)計(jì)上。本文采用第二種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN總線接口，并采用PCA82C250作為CAN總線驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)將6N137連入CAN控制器和CAN驅(qū)動(dòng)器之間以降低CAN總線對(duì)網(wǎng)關(guān)卡的電磁干擾。圖3所示是LPC2294中一個(gè)CAN接口的連接圖，其它接口與之類(lèi)似。

1.3 微控制器與PCI9030之間的硬件接口設(shè)計(jì)

微控制器與PCI9030之間的硬件設(shè)計(jì)是該通信卡的核心控制部分。本設(shè)計(jì)采用ALTERA公司的FPGA EPlC6來(lái)實(shí)現(xiàn)微控制器與PCI9030之間的接口。EPlC6是ALTERA公司的一款FPGA芯片，它內(nèi)部集成了20塊128×36 bits的RAM模塊，可以方便地將它編程為所需要的“雙口RAM”，然后將上行數(shù)據(jù)（CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)往PC機(jī)的數(shù)據(jù)）和下行數(shù)據(jù)（PC機(jī)發(fā)往CAN節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)）通過(guò)該“雙口RAM”緩存轉(zhuǎn)發(fā)。由于EPlC6擁有豐富的I／O口，故可靈活選擇數(shù)據(jù)格式（32位／16位／8位）以及傳輸方法，本文采用16位復(fù)用傳輸模式。

EPlC6還要編程實(shí)現(xiàn)PCI9030與ARM之間的邏輯控制時(shí)序轉(zhuǎn)換。由于PCI9030與ARM的控制信號(hào)不完全一致，所以需要進(jìn)行邏輯控制時(shí)序轉(zhuǎn)換。同時(shí)，本文PCI9030的局部總線一側(cè)采用的是地址／數(shù)據(jù)復(fù)用模式，而ARM控制器采用的是非復(fù)用模式，因此也需要EPlC6進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換：在PCI9030的地址周期內(nèi)可利用LALE將16位地址鎖存到EPlC6內(nèi)部寄存器，等到PCI9030的數(shù)據(jù)周期來(lái)臨時(shí)，再與數(shù)據(jù)一起送到ARM的地址口與數(shù)據(jù)口上，以方便ARM取用。

2 、軟件設(shè)計(jì)

2.1 通信卡軟件設(shè)計(jì)

通信卡上的軟件主要指的是ARM控制器上的軟件程序。本文選用ARM控制器LPC2294來(lái)實(shí)現(xiàn)智能數(shù)據(jù)傳輸路徑選擇。LPC2294是通信卡的控制核心。它集成有4路CAN控制器，每個(gè)CAN控制器都與獨(dú)立CAN控制器SJA1000有著相似的寄存器結(jié)構(gòu)，它只是對(duì)器件寄存器訪問(wèn)由原來(lái)的8bit字節(jié)訪問(wèn)轉(zhuǎn)變?yōu)榱?2 bit的雙字訪問(wèn)。LPC2294可實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)段與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸控制（包括上行數(shù)據(jù)傳輸和下行數(shù)據(jù)傳輸）以及不同CAN網(wǎng)段間的數(shù)據(jù)傳輸控制（平行數(shù)據(jù)傳輸）。

LPC2294為所有CAN控制器提供了全局接收標(biāo)識(shí)符查詢(xún)功能。它包含一個(gè)512×32 （2 k字節(jié)）的RAM，可通過(guò)軟件處理在RAM中存放1～5個(gè)標(biāo)識(shí)符表格。整個(gè)接收濾波RAM可容納1024個(gè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符或512個(gè)擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符，或兩種類(lèi)型的混合標(biāo)識(shí)符。由于允許的表格范圍有2 k字節(jié)，故能容易地滿(mǎn)足復(fù)雜的ID接收過(guò)濾要求。LPC2294在FullCAN模式下能自動(dòng)接收并選定網(wǎng)段的標(biāo)準(zhǔn)幀，但本文不采用FullCAN模式。

若在EPlC6的“雙口RAM”中設(shè)置一個(gè)狀態(tài)與控制寄存器組（SOR），那么，上位機(jī)便可通過(guò)訪問(wèn)該寄存器組查詢(xún)通信卡的運(yùn)行狀態(tài)。為了有效管理數(shù)據(jù)傳輸，防止傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)丟失，本設(shè)計(jì)在ARM內(nèi)部的靜態(tài)RAM區(qū)開(kāi)辟了一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)收發(fā)緩存區(qū)（GRTB），其示意圖如圖4所示。

圖4中，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)幀來(lái)說(shuō)，它只有11位標(biāo)識(shí)符，因此，圖中的標(biāo)識(shí)符字節(jié)3和4保留不用。而幀格式用來(lái)區(qū)別此幀是標(biāo)準(zhǔn)幀（0）還是擴(kuò)展幀（1）。當(dāng)RTR為1時(shí)，表示此幀是遠(yuǎn)程幀。圖中的源段號(hào)和目的段號(hào)用于表明此幀來(lái)自哪個(gè)網(wǎng)段以及將要送往哪個(gè)網(wǎng)段（此處將上位機(jī)也作為其中一段來(lái)處理）。DLC表明傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)目。

2.2 通信卡的運(yùn)行流程

系統(tǒng)上電復(fù)位后，系統(tǒng)將首先運(yùn)行初始化程序。LPC2294的初始化主要是初始化全局接收和發(fā)送緩沖區(qū)以及清除狀態(tài)寄存器中的值等；PCI9030的初始化主要是從EEPROM中加載初始數(shù)據(jù)以進(jìn)行初始設(shè)置，CAN初始化包括設(shè)置模式、總線時(shí)序、中斷使能、標(biāo)識(shí)符表格，這些設(shè)置均可通過(guò)給CAN芯片的內(nèi)部寄存器賦值來(lái)實(shí)現(xiàn)。初始化成功之后，通信卡將進(jìn)行自檢，并在確定啟動(dòng)正常之后進(jìn)入工作狀態(tài)。這一部分的程序流程圖如圖5的A部分所示。

系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)后（圖5中的B部分）將等待中斷產(chǎn)生，如有，則進(jìn)人相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。如果是數(shù)據(jù)傳輸，則轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸子程序，數(shù)據(jù)傳輸子程序主要包括3個(gè)部分：

（1） 下行數(shù)據(jù)傳輸

下行數(shù)據(jù)傳輸指的是上位機(jī)向CAN網(wǎng)段發(fā)送數(shù)據(jù)。即上位機(jī)把數(shù)據(jù)寫(xiě)入到“雙口RAM”中以等待LPC2294將數(shù)據(jù)取走。LPC2294將上位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)暫時(shí)存放在全局?jǐn)?shù)據(jù)收發(fā)緩存區(qū)（GRTB）中，然后檢查匹配的目的段是否有空閑的發(fā)送區(qū)（CANSR中的TBS位為1），若有則將數(shù)據(jù)分別寫(xiě)入每個(gè)網(wǎng)段的發(fā)送區(qū)并發(fā)送。如果匹配網(wǎng)段的3個(gè)發(fā)送緩沖器全為忙，則循環(huán)等待，直到有一個(gè)以上的發(fā)送緩沖器為空再進(jìn)行發(fā)送。

（2） 上行數(shù)據(jù)傳輸

上行數(shù)據(jù)傳輸指的是CAN網(wǎng)段向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)程序檢測(cè)到某個(gè)網(wǎng)段X的CAN中斷／捕獲寄存器（CANICR）中的接收中斷位（RI）置位后，它將進(jìn)入接收中斷服務(wù)程序。此時(shí)程序?qū)⒌綐?biāo)識(shí)符表格中查找匹配的標(biāo)識(shí)符，CAN控制器會(huì)在接收時(shí)自動(dòng)搜索接收濾波器的RAM中的表格并進(jìn)行匹配，只要找到匹配值則產(chǎn)生接收中斷并通知用戶(hù)保留信息，否則自動(dòng)放棄這一幀信息而不產(chǎn)生接收中斷，如果它只找到一個(gè)匹配值（源網(wǎng)段中），則說(shuō)明此數(shù)據(jù)是只傳輸給上位機(jī)的，此時(shí)程序會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)信息按上面介紹的格式保存到全局?jǐn)?shù)據(jù)收發(fā)緩沖區(qū)（GRTB），以等待LPC2294將其發(fā)送給EPlC6的“雙口RAM”，以便上位機(jī)讀取。

（3） 平行數(shù)據(jù)傳輸

當(dāng)出現(xiàn)接收中斷時(shí)，程序也會(huì)到標(biāo)識(shí)符表格中查找匹配的標(biāo)識(shí)符，如果找到一個(gè)以上的匹配值，則說(shuō)明還有其他網(wǎng)段需要這些數(shù)據(jù)。此時(shí)程序會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)信息讀入到全局?jǐn)?shù)據(jù)收發(fā)緩沖區(qū)（GRTB）中去，然后把數(shù)據(jù)發(fā)往匹配網(wǎng)段。

在調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸子程序后，程序?qū)⒅脴?biāo)志位并返回。如果是其它一些中斷，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。若沒(méi)有中斷產(chǎn)生，則檢查PC機(jī)是否有參數(shù)配置需要，最后進(jìn)行系統(tǒng)自檢。本系統(tǒng)會(huì)在系統(tǒng)閑暇時(shí)進(jìn)行自檢并上傳狀態(tài)報(bào)表，這樣可以使用戶(hù)隨時(shí)了解通信卡的工作情況，對(duì)于提高系統(tǒng)的工作可靠性以及出現(xiàn)故障時(shí)的查錯(cuò)效率具有重要的意義。

2.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)程序主要包括通信卡底層驅(qū)動(dòng)程序和用戶(hù)服務(wù)程序。其設(shè)計(jì)框圖圖6所示。

通信卡底層驅(qū)動(dòng)程序的功能主要是配置CAN總線接口、收發(fā)CAN總線上的數(shù)據(jù)、對(duì)CAN總線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、執(zhí)行用戶(hù)程序的收發(fā)命令等。CAN總線和PCI總線錯(cuò)誤均采用中斷處理，并通過(guò)事件（Event）內(nèi)核對(duì)象直接通知給用戶(hù)程序。

PCI的用戶(hù)服務(wù)程序則通過(guò)PCI通信程序與系統(tǒng)PCIDI （PCI device interface）進(jìn)行通信，并由系統(tǒng)完成PCI協(xié)議的處理與數(shù)據(jù)傳輸。用戶(hù)可以在設(shè)計(jì)好的上位機(jī)界面上方便的設(shè)定節(jié)點(diǎn)參數(shù)，查詢(xún)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息。

3 、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的CAN／PCI智能通信卡采用功能強(qiáng)大的ARM芯片LPC2294作為核心控制芯片，因此，該通信卡能夠同時(shí)處理4路CAN總線向上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于CAN網(wǎng)段之間的通信需求，本通信卡也能夠很好地滿(mǎn)足，并可使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的CAN網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)更為簡(jiǎn)單。