基于ETX的車載計算機模塊的設(shè)計

1   引言

CI 一下機項目的操作系統(tǒng)來說     

”系統(tǒng)在新型駝峰無線機車信號系統(tǒng)中，機車主機是機車設(shè)備的神經(jīng)中樞，在自動化控制過程中需實時的進行數(shù)據(jù)通訊和處理，必須具有多通訊接口、平臺穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)強等特點。本文提出了一種基于ETX的車載計算機模塊的設(shè)計方法，通訊接口擴至六個串口、三個CAN口，在應(yīng)用中滿足了高低溫、潮濕、振動、靜電以及電磁干擾等使用環(huán)境的要求。

2   系統(tǒng)設(shè)計

2.1   硬件組成

ETX（Embedded Technology Extended嵌入式技術(shù)延伸）嵌入式計算機模塊具有完整的PC功能和高效的CPU性能，為嵌入式應(yīng)用提供完美的解決方案。在系統(tǒng)設(shè)計中采用主控制器為ETX工控模塊，其核心CPU為賽揚433 CPU。它能提供VGA、串口（2個）、并口、IDE、語音、以太網(wǎng)口（100M）、USB、鍵盤、鼠標等多種常用的計算機接口。該產(chǎn)品高性能的外圍資源，高品質(zhì)的CPU集成系統(tǒng)大大方便了外圍設(shè)備的擴展，方便了主CPU與外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)交流。然而，在新型駝峰無線機車信號系統(tǒng)中對通信接口有更多的要求，需要提供至少6個串口和3個CAN口，為此需要增擴串口和CAN口，其組成框圖如圖1所示。通過橋片和總線控制器完成通信接口的擴展。整個計算機采用歐標6U標準的模板，通過雙96芯VME與底板連接。

圖1 硬件組成框圖

2.2   操作系統(tǒng)選擇

   在自動化控制過程中需實時的進行數(shù)據(jù)通訊和處理，為此操作系統(tǒng)的選擇非常重要。對于車載項目的操作系統(tǒng)，WinCE具有比xp embedded更好的實時性、穩(wěn)定性和更低的功耗。

   WinCE. NET做為一個高級的嵌入式的實時操作系統(tǒng)，提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)和通訊標準，一個高效的實時內(nèi)核，豐富的多媒體應(yīng)用和web的功能。

在實際應(yīng)用中運行于微軟 WinCE4.2 NET操作系統(tǒng)下。WinCE4.2 NET是微軟公司為滿足工業(yè)控制等領(lǐng)域?qū)τ趯崟r性的苛刻要求而推出的一款嵌入式實時操作系統(tǒng)。系統(tǒng)具有實時性高，性能穩(wěn)定，系統(tǒng)資源占用低等特點。同時，對于多媒體以及人機界面交互方面在嵌入式領(lǐng)域有著絕對的領(lǐng)先地位?；谝陨系南到y(tǒng)特點和客戶的具體應(yīng)用，我們在設(shè)計過程中選定使用的操作系統(tǒng)為WinCE4.2 NET。同時為處理板提供基于wince系統(tǒng)的bsp包和相應(yīng)的外擴設(shè)備的WinCE下的驅(qū)動。

2.3   環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

   為滿足車載系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)的要求，在設(shè)計中作了以下專項工作：

a)         選擇工業(yè)級器件和部件，滿足-40~+70溫度要求

b)        全板附鋁合金冷板以提供良好的散熱和電磁屏蔽，同時提高整板抗振動和沖擊能力

c)        做三防處理

d)        設(shè)計靜電釋放電路，減少在運輸安裝過程中由于靜電引起的電路損壞。

3   主要接口電路設(shè)計

合處理的需要。PCI總線一個重要的特點是具有極高的數(shù)據(jù)傳輸速度，是新一代微機的標準總線。系統(tǒng)必須解決PCI到串口和PCI到CAN口的轉(zhuǎn)換問題。原理框圖中從PCI總線擴展出的串口和CAN口原理框圖如圖2所示。

a)       串口

圖2    4串口擴展原理框圖

原理圖中所使用的串口控制器為OX16C954，該片可擴展4個串口（在本系統(tǒng)中，定義為COM3至COM6），數(shù)據(jù)位可為5/6/7/8/9，停止位可為1/1.5/2，每通道的收發(fā)各有128BYTE深度的FIFO，波特率選擇的范圍根據(jù)所選的時鐘頻率可從50到1MB，中斷與查詢均可。光耦的性能為隔離電壓1500V，傳輸速率為10MB。通過HIN213對總線驅(qū)動。其中COM6采用單獨隔離的電源，RS232工作方式，并提供全9針功能；COM3、4、5與ETX上的COM2共電源，并提供RS232和RS485硬件跳換。

b)      CAN口

圖3      3CAN口擴展原理框圖

              CAN口的擴展如圖3所示。采用Intel的CAN控制器I82527。該片支持CAN 2.0 A/B規(guī)范，波特率可達1MB/S，同時I82527還可提供16個I/O口作為其它控制使用。光隔器件采用HCPL0661，隔離電壓為1000V，傳輸速率為10MB。CAN總線收發(fā)器采用TJA1050，該片是專為CAN總線驅(qū)動而設(shè)計的，傳輸速率可達1MB。在本板中，三路CAN定義為CAN1、CAN2、CAN3，其中CAN3與CAN1和CAN2電源隔離。      

c)       CPLD內(nèi)控制接口設(shè)計

復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）幾乎可適用于所有的門陣列和各種規(guī)模的數(shù)字集成電路，它以其編程方便，集成度高、速度快、價格低等特點越來越受到設(shè)計者的歡迎。本設(shè)計所采用的CPLD為ALTERA公司的EPM7128，以Altera公司新一代功能更強的集成EDA工具Quartus II為開發(fā)軟件，以Verilog作為硬件描述語言進行設(shè)計，完成CPLD內(nèi)電路的設(shè)計。

在圖2、3所示的電路中，使用了CPLD 器件, 使得硬件電路的設(shè)計變得十分簡潔。主要實現(xiàn)以下功能：

1)        地址譯碼部分

2)        地址數(shù)據(jù)的鎖存

3)        讀寫控制部分

4)        中斷管理部分    

5)        寄存器部分為中斷標志和中斷允許寄存器。

6)        LED燈的控制部分

 中斷管理部分實現(xiàn)串口控制器和3個CAN控制器的中斷及8路IO中斷。

這種設(shè)計通過軟件編程對其器件的結(jié)構(gòu)和工作方式進行重構(gòu)，能隨時進行設(shè)計調(diào)整而滿足產(chǎn)品升級。使得硬件的設(shè)計可以如軟件設(shè)計一樣方便快捷，從而改變了傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)及用單片機構(gòu)成的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法、設(shè)計過程及設(shè)計概念，使系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)操作和系統(tǒng)構(gòu)成在整體上發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

d)      其它功能擴展

    為滿足用戶的需，從CPLD中引出10根引線到面板LED供需方編程使用，此外，CPLD還可提供若干個I/O口作為其它功能的控制。

4    Windows下驅(qū)動程序的設(shè)計

在硬件調(diào)試過程中，在windows操作系統(tǒng)下進行調(diào)試，用WinDriver開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序。

a)         打開WinDriver應(yīng)用程序后，出現(xiàn)Driver Wizard，選擇創(chuàng)建新Diver，出現(xiàn)當(dāng)前系統(tǒng)中所有的硬件卡的列表，從中選擇需要建立驅(qū)動程序的硬件設(shè)備PLX PCI9054，點擊Generate.INF File按鈕建立安裝信息文件，然后按照板卡所需信息進行修改。

b)        用Driver Wizard生成操作硬件的應(yīng)用程序及API函數(shù)。

c)        啟動VC++6.0，建立一個工程，將Wizard產(chǎn)生的部分單元文件包含進工程，在此基礎(chǔ)上加入完成特定任務(wù)的代碼。

測試軟件的啟動界面如圖4所示。  

圖4  測試軟件啟動界面

5   結(jié)束語

        cI/O ports.some  CAN port, se PCI Bus to extend four seria。示、為至今為止，基于本方案的計算機模塊已經(jīng)成功地應(yīng)用于機車遙控系統(tǒng)。

本文作者創(chuàng)新點：該模塊采用PCI總線提高了速度，對各路串口和CAN采取了光電隔離措施，使系統(tǒng)同外部設(shè)備之間實現(xiàn)了電絕緣，設(shè)計靜電釋放電路，減少在運輸安裝過程中由于靜電引起的電路損壞。全板附鋁合金冷板以提供良好的散熱和電磁屏蔽，同時提高整板抗振動和沖擊能力。