??? 摘 要： 介紹了CAN總線的PCI接口通信卡的硬件電路和通信主控程序的設計以及驅動程序的開發，利用PCI接口芯片" title="接口芯片">接口芯片和雙口" title="雙口">雙口RAM以及微控制器實現工業現場總線CAN總線節點與工控機之間的通信，設備驅動程序" title="設備驅動程序">設備驅動程序在實時嵌入式操作系統Vxworks下開發。
??? 關鍵詞： PCI? CAN總線? CPLD? Vxworks
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???CAN總線是目前最流行的工業現場總線之一，而PCI總線是目前應用最廣泛的一種高速同步總線，具有32bit寬度，總線時鐘頻率為0~33MHz，最大傳輸速率可達132MBps，廣泛應用于數字圖形、圖像、語音處理以及高速數據實時采集與處理等領域。本設計利用通用PCI接口芯片PCI9052和微控制器AVR128輔以CPLD xc9536和雙口RAM實現CAN總線上各節點與工業控制計算機之間的通信。
1 系統概述
?? PCI接口通信卡主要功能是完成上位機（工業控制計算機）與CAN總線上各節點之間的信息和數據交換。本設計通過PCI接口芯片將來自上位機的數據信息暫時保存于雙口RAM中，由單片機控制通過CAN控制器將這些信息數據下發給CAN總線上各個節點，同時CAN總線上各節點的狀態信息上傳" title="上傳">上傳給總線控制器，由單片機控制將其送入雙口RAM中，再經PCI接口上傳至上位機作進一步數據處理分析。整個過程可看作是數據的下發和上傳過程。而CPLD完成對接口芯片、雙口RAM以及單片機三者之間的邏輯控制、總線仲裁等任務。
2 硬件實現
2.1 硬件框圖及實現過程
?? 系統框圖如圖1所示。圖中，PCI接口芯片采用PLX公司的PCI9052,該芯片實質上是PCI總線與局部總線設備之間的橋梁，以保證局部總線一端的設備在符合PCI 總線的規范時連接到PCI總線上。
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?? 在設計中，PCI9052的局部總線設計是較為復雜的環節。PCI9052內部提供了兩種配置寄存器" title="配置寄存器">配置寄存器：PCI configuration registers 和local configuration registers。PCI9052本地端提供了26根地址線（27:2)、32根數據線和4根LBE線（可以翻譯成不同的地址線），本卡用的LOCAL端是8位數據，在這種模式下，LBE1和LBE0提供地址線[1：0]。PCI配置寄存器提供了6個基地址寄存器，這些基地址是在系統中的物理地址，其中，BASE1和BASE2都是用來訪問LOCAL 配置寄存器的基地址，BASE1是映射到內存的基地址，BASE2是映射到I/O的基地址，所以可以通過內存和I/O來訪問LOCAL 配置寄存器。BASE2~5四個空間提供了訪問本地端所接的四個芯片，它們將本地的芯片映射到系統的內存或I/O口。本設計使用的是內存映射，如果本地端的芯片地址是0x0cc000,本卡設計中將此地址放入local配置寄存器的相應位置space0，同時配置此空間的大小，這樣在PCI總線端，系統會根據這個大小分配相應的內存空間（或I/O空間)供PCI9052使用，以映射LOCAL上所接的芯片，且系統分配的內存空間的信息會寫入PCI配置寄存器中，讀出即可。PCI9052工作時需一片配置芯片EEPROM，本設計中選用93CS46。EEPROM會在PCI卡上電的時候配置PCI9052，主要配置PCI卡的vendorID和deviceID（實質上是對該通信卡的標識）LOCAL端的四個space的LOCAL基地址和大小，以及每個space的其他一些參數。
??? 在該通信卡中，CPLD完成的主要功能包括：地址控制、譯碼以及地址數據線的分離，雙口RAM操作權的獲取和釋放控制。當有信息數據從PCI接口下發時，CPLD的控制邏輯首先讓PCI9052 取得雙口RAM的控制權(在這之前，雙口RAM已映射為PCI9052的某一內存空間)，數據存入雙口RAM的過程可看成對PCI本身內存空間的操作。數據下發完畢后，PCI9052則釋放控制權，由CPLD通知AVR128獲取雙口RAM控制權，AVR128與雙口RAM的連接采用地址數據復用方式，由CPLD控制其地址數據的分離，AVR128將下發數據首先搬移至自己內存空間，并將這些數據按照CAN通信協議打包，從SJA1000發送至各節點。
??? 當各種狀態信息數據從CAN 總線上各節點上傳時，其功能與數據下發過程中CPLD所起的作用基本相同，不過應注意一個問題：對于雙口RAM的操作，PCI9052和AVR128都有可能要執行。但雙口RAM的同一個地址單元不能同時進行寫操作，為解決地址競爭問題，需要CPLD附加上總線仲裁功能。CAN總線上各節點的信息中有可能包括某節點的故障信息，一般情況下，應該是信息數據的上傳優先。采用VHDL語音較易實現該邏輯功能。
2.2 地址空間分配問題
??? 從整個系統來看，雙口RAM要同時映射為PCI9052和AVR128的內存空間，而AVR128要同時將雙口RAM和兩片SJA1000映射進自己的可尋址空間，所以：（1）在數據下發過程中又突然有數據上傳時，應由CPLD保證總線不沖突。（2）映射到AVR128的可尋址空間的三塊地址，最好分配時留有一定的間隔，以避免沖突。
3 軟件設計
??? 軟件設計包括單片機數據收發主控程序設計、工控機的PCI總線設備驅動程序開發以及CPLD的邏輯控制程序設計。
3.1 設備驅動程序開發
??? 設備驅動程序的開發是軟件設計中比較復雜的工作。Vxworks中設備驅動程序有查詢方式和中斷方式兩種。中段方式下，事件發生是由中斷信號確定的，在中斷信號沒有出現時，驅動程序處于空閑狀態；查詢方式下，驅動程序需生成一個任務不斷地查詢相關寄存器以確定事件的發生。但無論在何種方式下，設備驅動程序的基本流程是相同的。首先應獲取硬件接口參數，包括內存映射地址、端口和系統中斷控制器的輸入（IRQ）。而獲取參數的方法由硬件接口方式決定PCI作為一種即插即用的總線結構，在BIOS和操作系統支持下，可自動為設備分配合適的硬件接口參數。本設計中基于PCI總線的系統采用內存映射訪問寄存器，接口函數中實現中斷服務子程序，且該子程序不能有運行時間過長的代碼，以避免死鎖而且應該盡快返回。驅動程序框架如下：
??? //定義常量和全局變量
????????? ＃define VENDOR_ID xxx
??? //定義信息數據結構
????????? Typedef struct xxx_info
???????? {
????????? UNIT pciBus,pciDevice
????????? Char irq;
}XXX_INFO;
??? //獲取硬件接口參數
????????? Void xxxInit()
????????? {
????????? //利用PCIdeviceID,VavdorID及總線號功能號
???? //查找設備
????????? for ( i=0;i
??????????????????? {
???????????????????? 重新查找
???????????????????? }
??????????????? Else
???????????????????? {確定出映射到系統中的設備的基地址}
?????????????? }
?????????????? //確定設備的IRQ
??????????? pciConfigInbyte(busNo,deviceNo,funcNo,PCI_
????CFG_DEV_INT_LINE,＆irq);?
?????????? }
?????? //中斷服務子程序
?????????? Void xxxIntr()
????????????????? {
}
?????? //設備初始化子程序
??????????? {
????????????? //初始化設備
????????????? //連接中斷服務程序
3.2 單片機數據收發主控程序設計
??? 主控程序由兩大模塊構成：上位機的控制信息數據的下發模塊和各節點的狀態信息數據的上傳模塊。整個通信功能的實現須嚴格按照CAN通信協議，兩大模塊均須完成與雙口RAM通信接口的初始化和SJA1000的初始化。雙口RAM通信接口初始化指的是AVR128接到CPLD通知后獲取對雙口RAM的操控權，而SJA1000初始化需要將SJA1000的內部寄存器編程，且須按如下順序初始化：檢測接口→復位→輸出模式及時鐘分頻設置→通信對象設置→波特率設置→命令寄存器及終端使能寄存器設置→退出復位→工作模式。通信程序流程圖如圖2所示。
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??? 本通信卡設計采用主流芯片及總線技術，充分利用了PCI總線的優點，使其能在工業控制以及數字領域得到廣泛應用。利用嵌入式技術的高性能、硬件電路采用的雙路邏輯，并結合CAN總線的高可靠性及安全性，使工業控制設備的性能大為改善。將該通信卡應用于鐵路交通領域、智能交通等的通信系統中，完全可滿足實時性以及安全可靠性的要求，其應用前景廣闊。
參考文獻
[1] PLX Technology Inc. PCI9052 data book. 1997.
[2] Philips Semiconductors. SJA1000 Stand-alone CAN controller. 2000.
[3] Integrated Device Technology Inc. IDT7005. 1998.
[4] 姚利民，孫逢春.用雙端口RAM實現與PCI總線接口的數據通訊.電子技術應用，2006,32(8).
[5] 王軍，燕永田，白海威.基于CAN 總線車站信號微機連鎖系統的實現.鐵路計算機應用,2001,(2).