基于ETX的車(chē)載計(jì)算機(jī)模塊的設(shè)計(jì)

1   引言

CI 一下機(jī)項(xiàng)目的操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)     

”系統(tǒng)在新型駝峰無(wú)線(xiàn)機(jī)車(chē)信號(hào)系統(tǒng)中，機(jī)車(chē)主機(jī)是機(jī)車(chē)設(shè)備的神經(jīng)中樞，在自動(dòng)化控制過(guò)程中需實(shí)時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和處理，必須具有多通訊接口、平臺(tái)穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)等特點(diǎn)。本文提出了一種基于ETX的車(chē)載計(jì)算機(jī)模塊的設(shè)計(jì)方法，通訊接口擴(kuò)至六個(gè)串口、三個(gè)CAN口，在應(yīng)用中滿(mǎn)足了高低溫、潮濕、振動(dòng)、靜電以及電磁干擾等使用環(huán)境的要求。

2   系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1   硬件組成

ETX（Embedded Technology Extended嵌入式技術(shù)延伸）嵌入式計(jì)算機(jī)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(jì)中采用主控制器為ETX工控模塊，其核心CPU為賽揚(yáng)433 CPU。它能提供VGA、串口（2個(gè)）、并口、IDE、語(yǔ)音、以太網(wǎng)口（100M）、USB、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等多種常用的計(jì)算機(jī)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(kuò)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(wú)線(xiàn)機(jī)車(chē)信號(hào)系統(tǒng)中對(duì)通信接口有更多的要求，需要提供至少6個(gè)串口和3個(gè)CAN口，為此需要增擴(kuò)串口和CAN口，其組成框圖如圖1所示。通過(guò)橋片和總線(xiàn)控制器完成通信接口的擴(kuò)展。整個(gè)計(jì)算機(jī)采用歐標(biāo)6U標(biāo)準(zhǔn)的模板，通過(guò)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(dòng)化控制過(guò)程中需實(shí)時(shí)的進(jìn)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(duì)于車(chē)載項(xiàng)目的操作系統(tǒng)，WinCE具有比xp embedded更好的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和更低的功耗。

   WinCE. NET做為一個(gè)高級(jí)的嵌入式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)和通訊標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)高效的實(shí)時(shí)內(nèi)核，豐富的多媒體應(yīng)用和web的功能。

在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)行于微軟 WinCE4.2 NET操作系統(tǒng)下。WinCE4.2 NET是微軟公司為滿(mǎn)足工業(yè)控制等領(lǐng)域?qū)τ趯?shí)時(shí)性的苛刻要求而推出的一款嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性高，性能穩(wěn)定，系統(tǒng)資源占用低等特點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)于多媒體以及人機(jī)界面交互方面在嵌入式領(lǐng)域有著絕對(duì)的領(lǐng)先地位?；谝陨系南到y(tǒng)特點(diǎn)和客戶(hù)的具體應(yīng)用，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中選定使用的操作系統(tǒng)為WinCE4.2 NET。同時(shí)為處理板提供基于wince系統(tǒng)的bsp包和相應(yīng)的外擴(kuò)設(shè)備的WinCE下的驅(qū)動(dòng)。

2.3   環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

   為滿(mǎn)足車(chē)載系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)的要求，在設(shè)計(jì)中作了以下專(zhuān)項(xiàng)工作：

a)         選擇工業(yè)級(jí)器件和部件，滿(mǎn)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(shí)提高整板抗振動(dòng)和沖擊能力

c)        做三防處理

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

3   主要接口電路設(shè)計(jì)

合處理的需要。PCI總線(xiàn)一個(gè)重要的特點(diǎn)是具有極高的數(shù)據(jù)傳輸速度，是新一代微機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)。系統(tǒng)必須解決PCI到串口和PCI到CAN口的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。原理框圖中從PCI總線(xiàn)擴(kuò)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(kuò)展原理框圖

原理圖中所使用的串口控制器為OX16C954，該片可擴(kuò)展4個(gè)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(shí)鐘頻率可從50到1MB，中斷與查詢(xún)均可。光耦的性能為隔離電壓1500V，傳輸速率為10MB。通過(guò)HIN213對(duì)總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)。其中COM6采用單獨(dú)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(kuò)展原理框圖

              CAN口的擴(kuò)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(dá)1MB/S，同時(shí)I82527還可提供16個(gè)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(xiàn)收發(fā)器采用TJA1050，該片是專(zhuān)為CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的，傳輸速率可達(dá)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(jì)

復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）幾乎可適用于所有的門(mén)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(jià)格低等特點(diǎn)越來(lái)越受到設(shè)計(jì)者的歡迎。本設(shè)計(jì)所采用的CPLD為ALTERA公司的EPM7128，以Altera公司新一代功能更強(qiáng)的集成EDA工具Quartus II為開(kāi)發(fā)軟件，以Verilog作為硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成CPLD內(nèi)電路的設(shè)計(jì)。

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(jì)變得十分簡(jiǎn)潔。主要實(shí)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(xiě)控制部分

4)        中斷管理部分    

5)        寄存器部分為中斷標(biāo)志和中斷允許寄存器。

6)        LED燈的控制部分

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

這種設(shè)計(jì)通過(guò)軟件編程對(duì)其器件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，能隨時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整而滿(mǎn)足產(chǎn)品升級(jí)。使得硬件的設(shè)計(jì)可以如軟件設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)成的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過(guò)程及設(shè)計(jì)概念，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(kuò)展

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

4    Windows下驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

在硬件調(diào)試過(guò)程中，在windows操作系統(tǒng)下進(jìn)行調(diào)試，用WinDriver開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

a)         打開(kāi)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(dòng)程序的硬件設(shè)備PLX PCI9054，點(diǎn)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(jìn)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(dòng)VC++6.0，建立一個(gè)工程，將Wizard產(chǎn)生的部分單元文件包含進(jìn)工程，在此基礎(chǔ)上加入完成特定任務(wù)的代碼。

測(cè)試軟件的啟動(dòng)界面如圖4所示。  

圖4  測(cè)試軟件啟動(dòng)界面

5   結(jié)束語(yǔ)

        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(jì)算機(jī)模塊已經(jīng)成功地應(yīng)用于機(jī)車(chē)遙控系統(tǒng)。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：該模塊采用PCI總線(xiàn)提高了速度，對(duì)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(shí)現(xiàn)了電絕緣，設(shè)計(jì)靜電釋放電路，減少在運(yùn)輸安裝過(guò)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(shí)提高整板抗振動(dòng)和沖擊能力。