基于CAN總線的非智能適配卡設(shè)計
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引言
控制器局域網(wǎng)can (controller area network)是目前被批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)的少數(shù)現(xiàn)場總線之一。can網(wǎng)絡(luò)可采用多主方式工作。它采用非破壞性的總線仲裁技術(shù)，其信號傳輸和控制采用短幀結(jié)構(gòu)，因而具有較強的抗干擾能力和低耦合性；cah網(wǎng)絡(luò)的通訊速率范圍為5
kbs／10 km～lmbs／／40m，驅(qū)動節(jié)點數(shù)可達(dá)110個。它的傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇十分靈活；每幀信息都有crc校驗及其它檢錯措施，因而數(shù)據(jù)出錯率極低，可靠性很高；當(dāng)其傳輸?shù)男畔⒊鲥e嚴(yán)重時，節(jié)點可自動斷開與總線的聯(lián)系，以使總線上其它的操作不受影響。
雖然目前pci、usb等總線技術(shù)得到了快速發(fā)展，但在大量應(yīng)用的測試微機(jī)及工控機(jī)中，用的最多的還是isa (industry standard
architecture．工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu))總線。isa總線具有16位數(shù)據(jù)寬度，最高工作頻率為8mhz，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到16mb／s，地址總線有24條，可尋址16mb的地址單元，其總線信號分為5類，分別為地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、時鐘線和電源線。
為了解決can控制器sja1000與isa總線各信號線的時序配合與邏輯配合問題，筆者設(shè)計了一種基于can總線的非智能適配卡。該適配卡已應(yīng)用于筆者研制的"基于can總線的運動控制系統(tǒng)"中，運行情況良好。
非智能型isa總線can適配卡的總體結(jié)構(gòu)
can控制器sja1000的地址數(shù)據(jù)總線是分時復(fù)用的，通過ale信號的下降沿可鎖存總線上的地址信號；isa總線上的地址和數(shù)據(jù)總線是單獨提供的，它不能直接和sja1000的地址數(shù)據(jù)總線相連。本設(shè)計利用地址譯碼電路來對地址信號線進(jìn)行譯碼，從而為can適配卡分配出一定的端口地址。然后再利用74hc373芯片的數(shù)據(jù)鎖存功能鎖存第一次i／o操作中通過isa數(shù)據(jù)總線傳送的數(shù)據(jù)信號，以便作為訪問can控制器sja1000中寄存器的地址信號，最后在第二次i／o操作中完成對sja1000中相應(yīng)地址寄存器的讀寫操作。其適配卡的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1中，地址鎖存器74hc373可看作sja1000的地址端口，而sja1000本身可看作sja1000的數(shù)據(jù)端口，另外還有對sja1000進(jìn)行硬件復(fù)位的復(fù)位端口。圖中的基地址譯碼電路以aen作為使能信號，對a2～a9地址信號進(jìn)行譯碼就可得到適配卡的基地址；組合ao和a1地址信號可得到各端口的偏移地址。sja1000與isa的通訊采用兩次i／o操作的方法，第一次先往地址端口送地址，第二次再對數(shù)據(jù)端口進(jìn)行訪問。這里所說的地址及數(shù)據(jù)端口都是對sjal000而言的，通過isa總線的數(shù)據(jù)線可獲得被訪問的sja1000寄存器的地址及所傳送的數(shù)據(jù)?？刂贫丝谧g碼電路可將cpu送來的控制信號和地址信號按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行組合，從而生成一組新的功能信號作為接口控制信號。通過sja1000復(fù)位電路可對saj1000進(jìn)行復(fù)位，具體操作可采用上電復(fù)位、程序復(fù)位及按鍵復(fù)位三種硬件復(fù)位方式。
適配卡硬件的設(shè)計
基地址譯碼電路設(shè)計
圖2所示是一種具體的基地址譯碼電路。一般情況下，根據(jù)系統(tǒng)需要，地址譯碼電路可對isa地址線的端口地址譯碼，并可用ao～a9來表示。基地址譯碼電路對a9～a2進(jìn)行譯碼，則可作為卡上端口的基地址。
圖2中，74hc688是一個8位量值比較器，當(dāng)時pi=qi(i=0…7)，p=q的反端輸出低電平。當(dāng)isa總線的aen為高電平時，總線工作在dma方式；而當(dāng)aen為低電平時，cpu擁有對總線的控制權(quán)。非智能型適配卡的工作過程實際上就是cpu對i／o的操作過程，期間，aen始終為低電平，可用于控制74hc688的選通端g反。只有在i／o操作時，才允許它選擇地址。由于使用的是撥碼開關(guān)，用戶可預(yù)先設(shè)定適配卡的基地址?？ㄉ细鞫丝诘钠朴蒩1和a0選擇，并可通過軟件控制，本設(shè)計中的定義地址端口偏移為00，數(shù)據(jù)端口偏移為01，復(fù)位端口偏移為11。
控制信號產(chǎn)生電路
該適配卡的控制信號產(chǎn)生電路如圖3所示。該電路的主要作用是把cpu送來的控制線和地址線按照一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行組合，以生成一組新的功能信號輸出。該信號可作為接口控制信號去控制sja1000、74hc373、74hc245等芯片的工作狀態(tài)。由于基地址譯碼電路的輸出信號為p=q的反(低電平有效)，sja1000地址端口偏移地址為00h，數(shù)據(jù)端口偏移地址為01h，因此，根據(jù)控制邏輯，適配卡中各芯片的控制信號邏輯表達(dá)式為：
適配卡在工作過程中，各芯片的邏輯時序關(guān)系是：當(dāng)74hc373輸出數(shù)據(jù)有效時，74hc245輸出為高阻態(tài)；當(dāng)74hc373輸出呈高阻態(tài)，且sja1000的數(shù)據(jù)直接傳回isa總線時，74hc245輸入輸出工作正常。具體來講，假設(shè)can的基地址為300h，且訪問sja1000是分兩次i／o操作完成的，那么，第一次往端口300h送出的數(shù)據(jù)可在寫信號的后沿被鎖存在74hc373中，這個操作中，74hc245的e與74hc373的le端有效，而74hc373的oe端為高電平，74hc373輸出端為高阻態(tài)；當(dāng)?shù)诙卧L問數(shù)據(jù)端口301h時，sja1000被選中，此時cpu可對sja1000的相應(yīng)單元進(jìn)行讀／寫操作。具體的操作過程分為讀、寫兩種情況。當(dāng)?shù)诙蝘／o操作到來時，sja1000會在bale信號下降沿將第一次i／o操作時鎖存在74hc373中的數(shù)據(jù)作為地址鎖存，該過程中，74hc245的e反為高電平，輸出呈高阻態(tài)，74hc373的oe的反為低電平，輸出端有效，可向sja1000傳送地址信號。當(dāng)?shù)刂繁籹ja1000鎖存以后，此時如果進(jìn)行的是讀操作，那么，在讀信號有效期間(低電平)，74hc373的輸出允許oe反端為高電平，74hc373輸出端呈高阻態(tài)，這時sja1000可將選中單元的寄存器內(nèi)容輸出到數(shù)據(jù)總線，并通過74hc245驅(qū)動送入cpu中。而在地址鎖存后，如果進(jìn)行的是寫操作，那么，74hc373的輸出允許端始終有效，此時可在寫信號有效期間，將數(shù)據(jù)寫入sja1000的相應(yīng)單元中。
計算機(jī)通過isa總線對can控制器sja1000進(jìn)行讀寫的時序分別如圖4和圖5所示。
復(fù)位電路sja1000正常工作前，只有通過復(fù)位引腳對其進(jìn)行可靠的硬件復(fù)位，才能對sja1000中的寄存器進(jìn)行正確的讀寫操作。使sja1000可靠復(fù)位的電平持續(xù)最小時間為0.1μs，pc系統(tǒng)復(fù)位電平持續(xù)時間可達(dá)幾微秒。系統(tǒng)復(fù)位信號reset在系統(tǒng)電源接通時為高電平，經(jīng)反向器后可直接用于對sja1000進(jìn)行復(fù)位。圖6所示是適配卡的復(fù)位電路，對sja1000的復(fù)位具有開機(jī)上電復(fù)位、程序復(fù)位以及按鍵復(fù)位等三種方式。
在圖6中，a1和a0經(jīng)過與非門74lsl0后，為復(fù)位電路產(chǎn)生的偏移地址為11，該地址信號與iow反、p=q反等信號經(jīng)過邏輯組合，同時配合程序設(shè)計可產(chǎn)生對sja1000的復(fù)位信號。程序設(shè)計時只需對復(fù)位端口寫入一個數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)程序復(fù)位。而按鍵復(fù)位則可在系統(tǒng)運行出現(xiàn)通信故障時，直接用于對can控制器sja1000進(jìn)行硬件復(fù)位。
適配卡的軟件設(shè)計
軟件設(shè)計的關(guān)鍵部分是can通信程序的設(shè)計。通信程序(流程如圖7、8、9所示)可分為三部分：can初始化程序、接收程序、發(fā)送程序。初始化是通信的前提，主要完成對can控制器的一些寄存器的設(shè)置。由于sja1000支持中斷操作，因此可以用中斷服務(wù)程序來完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，以提高系統(tǒng)的工作效率。
實際上，只有在復(fù)位模式下才可以對sja1000進(jìn)行初始化，初始化主要包括工作方式的設(shè)置、接收濾波方式的設(shè)置、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置和中斷允許寄存器的設(shè)置等。完成初始化后，即可將sja1000設(shè)置為工作狀態(tài)，以進(jìn)行正常的通信。發(fā)送子程序負(fù)責(zé)節(jié)點報文的發(fā)送。發(fā)送時，讀取狀態(tài)寄存器并對各位進(jìn)行適當(dāng)判斷，并將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合成一幀報文，送入sja1000發(fā)送緩存區(qū)中，然后啟動sja1000發(fā)送；接收子程序則負(fù)責(zé)節(jié)點報文的接收以及其它情況的處理。在處理接收報文的過程中，還要對總線關(guān)閉、錯誤報警、接收溢出等情況進(jìn)行處理。
can適配卡與計算機(jī)可采用中斷方式通信。但在win api中不能直接控制中斷，只有在操作系統(tǒng)底層為can適配卡編寫虛擬設(shè)備驅(qū)動程序(vxd)才可以利用中斷。這需要在虛擬設(shè)備驅(qū)動程序中將中斷虛擬化，并在中斷事件響應(yīng)函數(shù)中編寫所需代碼，同時為應(yīng)用程序提供訪問接口。應(yīng)當(dāng)注意的是：計算機(jī)通過isa總線對can適配卡上的sja1000進(jìn)行訪問采用的是兩次i／o操作，第一次往地址端口送地址，第二次對數(shù)據(jù)端口進(jìn)行訪問。其具體的實現(xiàn)代碼如下：
／／向指定的sja1000寄存器(地址為addr)寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)(data)，can_base為基地址
void canirq：：writebyte(int can_base，unsigned char addr，unsigned char data)
{
_outp(can_base，addr)；
_outp(can_base+1，data)；
}
//從指定的sja1000寄存器(地址為addr)讀一個字節(jié)數(shù)據(jù)(data)
unsigned char canirq：：readbyte(int can_base，unsigned char addr)
{
unsigned char result；
_outp(can_base，addr)；
result=_inp(can_base+1)；
return result；
}
在訪問sja1000的程序中，可以直接調(diào)用以上兩子函數(shù)。這樣，其發(fā)送程序段代碼為：
bool canirq：：cantrans(int can_base，unsigned char*ptransbuf)
{
status=readbyte(can_base，sr)； ／／sr為狀態(tài)寄存器地址
for(i=0；i
{
writebyte (can_base,*ptfansbuf，ptbuf；／／ptransbuf為發(fā)送緩沖區(qū)地址
ptbuf++；ptransbuf++；
}
}
結(jié)束語
通過解決計算機(jī)isa總線與can控制器sja1000的邏輯配合與時序配合可完成基于can總線的非智能適配卡設(shè)計。該適配卡現(xiàn)已成功地應(yīng)用于筆者所研制的基于can總線的測控系統(tǒng)中。實際上，若在適配卡上增加can通信控制器，也可使一卡帶多條can總線，以增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。另外，還可以在適配卡的應(yīng)用程序中，根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)需要編寫各種監(jiān)控程序來擴(kuò)展系統(tǒng)功能。
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