基于PCI總線的CAN卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了PCI橋接口芯片PCI9052和CAN接口芯片SJA1000，給出了基于PCI總線的CAN總線適配卡軟硬件的設(shè)計(jì)思路、過程及實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：PCI總線PCI9052CAN總線SJA1000

現(xiàn)場(chǎng)總線CAN以其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，越來越受到人們的重視和青睞，不但在汽車行業(yè)中應(yīng)用廣泛，而且在工業(yè)控制、機(jī)器人、醫(yī)療器械、傳感器等領(lǐng)域發(fā)展迅速。為了擴(kuò)展CAN總線的功能，與計(jì)算機(jī)相連，可設(shè)計(jì)具有CAN接口和PC接口的CAN適配卡，用來收集CAN總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，轉(zhuǎn)發(fā)給PC機(jī)，并可將PC機(jī)的命令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)節(jié)點(diǎn)以及完成對(duì)CAN總線上的用戶系統(tǒng)的部分監(jiān)控和管理工作。

PCI總線是Intel公司推出的一種先進(jìn)的高性能32/64位局部總線，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備，不受制于處理器，數(shù)據(jù)吞吐量大。目前PCI是處于主流的計(jì)算機(jī)總線。以往的CAN卡一般都是基于ISA總線的，由于ISA部傳輸速率低，CAN卡必須增加中繼控制功能，才能夠適應(yīng)CAN的高速傳輸，導(dǎo)致造價(jià)高、體積大、傳輸速率低，不利于CAN總線的推廣應(yīng)用。由于PCI總線傳輸速度快，而且支持熱插拔、電源管理等功能，不但能滿足CAN總線的高速數(shù)據(jù)傳輸，性能高、功能強(qiáng)，而且體積小、價(jià)格低、使用方便、應(yīng)用范圍廣。

CAN卡的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

1硬件設(shè)計(jì)

PCI總線是一種獨(dú)立于CPU的局部總線，不同于傳統(tǒng)的ISA總線。由于PCI總線規(guī)范定義了嚴(yán)格的電氣特性和時(shí)序要求，開發(fā)難度比ISA總線的開發(fā)難度大。實(shí)現(xiàn)PCI接口的方案一般有兩種：采用可編程邏輯器件和專用總線接口器件。采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)PCI接口的最大好處是比較靈活，可把PCI時(shí)序模塊和功能模塊結(jié)合在一起，可以利用的器件也比較多，還可以購買由廠家提供的用VHDL、AHDL等硬件描述語言編制的PCI核心設(shè)計(jì)模塊，但其設(shè)計(jì)難度還是很高，因?yàn)镻CI總線對(duì)負(fù)載要求、傳輸數(shù)據(jù)的建立時(shí)間的要求都比較苛刻，同時(shí)還需要器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)用于配置的各類寄存器，以及完成邏輯校驗(yàn)、地址譯碼等工作的寄存器。此外，還需加入FIFO、用戶寄存器組和后端設(shè)備接口等部分。設(shè)計(jì)這種PCI總線接口會(huì)導(dǎo)致將大量的人力、物力投入到復(fù)雜的邏輯驗(yàn)證和時(shí)序分析的工作上，開發(fā)周期較長。要用專用接口器件雖然沒有采用可編程邏輯器件那么靈活，但能夠有效地降低接口設(shè)計(jì)的難度，縮短開發(fā)時(shí)間。專用接口器件具有較低的成本和很高的通用性，能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸，提供配置空間，具備用于突發(fā)傳輸功能的片內(nèi)FIFO，提供擴(kuò)展局部總線等優(yōu)點(diǎn)，并且許多公司還提供配套的開發(fā)工具，使用很方便，開發(fā)周期短。目前市場(chǎng)上常見的有PLX、AMCC、Cypress等公司的PCI橋芯片，各個(gè)型號(hào)的PCI接口芯片的大致特點(diǎn)如表1所示。

表1各公司PCI接口芯片公司芯片型號(hào)芯片功能及特點(diǎn)價(jià)格開發(fā)技術(shù)支持PLXPCI9052

PCI9054型號(hào)眾多，使用方便，性能好較便宜提供快速開發(fā)板RDK出售CYPRESSCY7C09449PV-AC內(nèi)置DPRAM，有效降低系統(tǒng)成本便宜技術(shù)文檔TIPCI2031

PCI1251與TI的DSP可無縫連接很便宜提供評(píng)估模塊AMCCAMCC5920

AMCC5933(主)FIFO接口適合于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集卡，性能好較昂貴提供評(píng)估板

PCI設(shè)備可分為主模式和從模式。主模式橋芯片可以進(jìn)行DMA操作，而從模式只能接受讀寫操作。根據(jù)PCI提供的傳輸數(shù)據(jù)帶寬和CAN總線的要求，加上經(jīng)濟(jì)和開發(fā)難度與周期上考慮，又因不需要DMA功能，采用從模式橋芯片足以滿足傳輸數(shù)據(jù)的需要。此外，選擇芯片不僅考慮性能和經(jīng)濟(jì)上的要求，而且還需要考慮硬件開發(fā)和驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的難易。如果不提供足夠的芯片說明和應(yīng)用樣例及開發(fā)工具，將大大增加開發(fā)難度和延長開周期。因此，采用PLX公司的PCI總線目標(biāo)接口芯片PCI9052作為CAN卡中的PCI接口芯片，負(fù)責(zé)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。

PCI9052是PLX公司開發(fā)的低價(jià)格PCI總線從模式接口芯片，低功耗，符合規(guī)范，提供的局部總線可通過編程設(shè)置為8/16/32位的復(fù)用總線。其主要特點(diǎn)有

直接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模式PCI9052支持PCI到LocalBus的內(nèi)存映射和I/O映射的突發(fā)讀寫。

ISA接口邏輯PCI9052支持通過8/16位內(nèi)存映射或I/O映射從PCI到ISA總線的單周期讀、寫訪問。方便從ISA向PCI卡的轉(zhuǎn)換。

中斷產(chǎn)生器由LocalBus的兩個(gè)中斷信號(hào)可以產(chǎn)生一個(gè)PCI中斷信號(hào)：INTA#。

局部總線PCI9052提供的局部總線不但可編程，而且與PCI總線的時(shí)鐘相互獨(dú)立運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)異步操作，總線操作自動(dòng)實(shí)現(xiàn)時(shí)序同步。兩部分的異步運(yùn)行方便了高、低速設(shè)備的兼容。局部的運(yùn)行時(shí)鐘頻率范圍0～40MHz、TTL電平，可由PCI提供或由用戶自行提供；PCI的運(yùn)行時(shí)鐘頻率范圍0～33MHz。

串行EEPROM用于存入PCIBUS和LocalBus的部分配置信息。

4個(gè)局部設(shè)備片選基址和地址范圍可以由串行EEPROM或主控設(shè)備進(jìn)行設(shè)置。

5個(gè)局部地址空間基址和地址范圍及其映射可以由串行EEPROM或主控設(shè)備進(jìn)行設(shè)置。

Big/LittleEndian模式的字節(jié)交換適合不同計(jì)算機(jī)體系。

局部總線等待狀態(tài)降了等待信號(hào)LRDYi#用于握手之外，PCI9052還有一個(gè)內(nèi)部等待產(chǎn)生器（包括地址到數(shù)據(jù)周期、數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)周期和數(shù)據(jù)到地址周期的

等待）。

延遲讀模式PCI9052支持規(guī)范的延遲讀模式。

FIFOPCI9052包括一個(gè)64Byte的寫FIFO和一個(gè)32Byte的讀FIFO，從而支持預(yù)取模式、即突發(fā)操作。

PCI鎖定機(jī)制主控設(shè)備可以通過鎖定信號(hào)占有對(duì)PCI9052的唯一訪問權(quán)。

由于CAN總線的迅猛發(fā)展，許多芯片廠商開發(fā)了很多系列的CAN通信控制器芯片。如表2所示。

表2主要CAN總線芯片制造商芯片型號(hào)芯片功能及特點(diǎn)Intel82527

8XC196CA/CBCAN通信控制器，符合

擴(kuò)展的8XC196+CAN通信控制器，符合

82C250

P51XA-C3CAN通信控制器，符合

高性能CAN總線收發(fā)器

16位微控制器+CAN通信控制器，符合系列68HC05微處理器+CAN通信控制器NEC72005CAN通信控制器，符合/B

由于PCI9052可以啟動(dòng)局部總線的讀寫，CAN卡不再需要微控制器，采用CAN通信控制器即可，本CAN卡采用支持BasicCAN和PeliCAN模式，具有FIFO、支持熱插拔等功能，不但可以實(shí)現(xiàn)CAN總線接口功能，而且芯片可以根據(jù)晶振的頻率，輸出可編程的CLKOUT信號(hào)，該信號(hào)正好可作為PCI9052的局部總線的總線頻率，節(jié)省了器件，方便了設(shè)計(jì)。CAN總線的總線頻率可為12MHz、16MHz或24MHz，PCI9052自動(dòng)實(shí)現(xiàn)局部總線與PCI總線的訪問同步。CAN總線收發(fā)器采用82C250.該芯片是CAN總線控制器和物理總線的接口，可以提供對(duì)CAN總線的差動(dòng)發(fā)送和接受能力，具有抗瞬間干擾、保護(hù)部的能力，可以通過調(diào)整CAN總線通訊脈沖的邊沿斜率來降低射頻干擾。

由于PCI設(shè)備在計(jì)算機(jī)中的硬件資源是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分配的，因此在設(shè)計(jì)出基本的硬件框架后，要進(jìn)行PCI配置設(shè)計(jì)。CAN卡的硬件資源為映射SJA1000內(nèi)部寄存器的內(nèi)存映射間和一個(gè)中斷源。PCI9052提供5個(gè)局部地址空間，可以選用其中的一個(gè)作為SJA1000的地址空間，分配32個(gè)8位地址。同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的初始化，PCI配置寄存器中的寄存器PCIBAR2設(shè)置為0XFFFFFFE0，向系統(tǒng)請(qǐng)求分配內(nèi)存的數(shù)量為32，類型為不可預(yù)讀，其它寄存器的值可設(shè)置為0。設(shè)置局部地址空間的范圍為0X00000000～0X00000020。PCI9052提供2個(gè)局部中斷源，利用LINTi1即可，注意的是：LINTi1信號(hào)線沒有驅(qū)能力，SJA1000的INT引腳也沒有驅(qū)動(dòng)能力，因此該信號(hào)線必須加上拉電阻，否則該信號(hào)線的電平不確定，工作肯定不正常。SJA1000提供電平觸發(fā)中斷信號(hào)，因此PCI9052的中斷觸發(fā)模式設(shè)置為電平觸發(fā)。利用PCI9052的局部設(shè)備片CS0#作為SJA1000的片選信號(hào)。CS0#片選信號(hào)的起始地址和地址范圍為CS0BaseAddress寄存器設(shè)置，值為0x00000002。另外，PCI9052的LRDYi#信號(hào)為局部總線數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號(hào)，SJA1000的寄存器地址映射成地址，數(shù)據(jù)傳輸不存在延遲等待，因此LRDYi#引腳可接地，表示SJA1000的寄存器總是立即可讀寫。PCI9052寄存器的初始值由串行EEPROM提供，在PCI9052加電后讀取。EEPROM必須采用支持連讀功能的芯片，本用Microchip的93LC46B。用PCX公司提供的開發(fā)工具PlxMon可對(duì)93LC47B進(jìn)行讀寫。

PCI9052的硬件調(diào)試可采用PlxMon。利用它可以對(duì)PCI設(shè)置的配置資源進(jìn)行檢驗(yàn)。利用PLX提供的SDK，可以對(duì)PCI9052的局部寄存器、局部總線及EEPROM進(jìn)行讀寫，這樣可以調(diào)試硬件。借助開發(fā)工具，不必開發(fā)PCI設(shè)備的調(diào)試軟件，可節(jié)省很多時(shí)間。同時(shí)，SDK也為驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)提供了程序框架，加快了開發(fā)進(jìn)度。

CAN卡的電路框圖如圖1所示。

2軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和COM組件程序設(shè)計(jì)。

由于PCI設(shè)備的中斷、I/O端口、映射內(nèi)存等資源都是動(dòng)態(tài)分配的，必須編寫驅(qū)動(dòng)程序管理硬件，才能供用戶編程使用。為了通用性和兼容性，CAN卡驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)采用支持WindowsXP、Windows2000和Windows98的WDM驅(qū)動(dòng)程序。開發(fā)工具采用VisualC++和Win2000DDK。由于CAN卡上沒有微控制器，因此對(duì)CAN總線端口的所有操作都是由驅(qū)動(dòng)程序來完成的。這不僅可以由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，例如，錯(cuò)誤檢測(cè)、斷點(diǎn)續(xù)傳等，同時(shí)節(jié)省了硬件，而且有利于CAN卡的升級(jí)——只要更換驅(qū)動(dòng)程序即。驅(qū)動(dòng)程序的功能主要是配置SJA1000的CAN接口、收發(fā)CAN總線上的數(shù)據(jù)、對(duì)發(fā)數(shù)據(jù)和CAN總線錯(cuò)誤均采用中斷處理，驅(qū)動(dòng)程序可以快速響應(yīng)，通過事件內(nèi)核對(duì)象直接通知給用戶程序。由于WDM驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)，編寫非常復(fù)雜，限于篇幅，僅給出軟件的框圖。

為了方便用戶的使用，還應(yīng)編寫相應(yīng)的API函數(shù)或ActiveX控件等其它應(yīng)用層的程序提供給用戶。由于ActiveX控件