基于Linux的PC104總線與CAN總線通信設(shè)計(jì)

　1 引 言

　　PC104嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)由于其小尺寸結(jié)構(gòu)、堆棧式連接、輕松總線驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)場總線領(lǐng)域中，CAN總線得到了計(jì)算機(jī)芯片商的廣泛支持，他們紛紛推出直接帶有CAN接口的微處理器(MCU)芯片。帶有CAN的MCU芯片總量已經(jīng)達(dá)到1億3 000萬片，因此在接口芯片技術(shù)方面，CAN已經(jīng)遙遙領(lǐng)先于FF，PRO-FIBUS，LONWORKS等其他所有現(xiàn)場總線。但是PC104總線不能與CAN總線直接通信，因此在CAN總線控制系統(tǒng)中難以運(yùn)用。

　　針對(duì)以上問題，以AVR單片機(jī)為協(xié)處理器設(shè)計(jì)了PC104總線與CAN總線的轉(zhuǎn)換卡并且考慮到PC104嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)上通常運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，編寫了轉(zhuǎn)換卡Linux下PC104總線訪問雙口RAM的驅(qū)動(dòng)程序。該轉(zhuǎn)換卡運(yùn)用在工業(yè)控制系統(tǒng)中，實(shí)際表明可以穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

　　2 硬件部分

　　PC104到CAN總線轉(zhuǎn)換卡的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。在PC104總線與CAN總線的通信中，要考慮的主要問題是PC104總線與CAN總線數(shù)據(jù)同步問題。PC104總線與CAN總線的總線速度存在很大差異，針對(duì)這樣的問題通常采用的方法是使用雙端口RAM或FIFO作為緩沖器，這里使用雙端口RAM作為數(shù)據(jù)緩沖，同時(shí)在雙端口RAM中預(yù)留幾個(gè)字節(jié)作為ATmega64處理器與PC104嵌入式計(jì)算機(jī)的軟握手信號(hào)，通過以上方法完成PC104總線與CAN總線的數(shù)據(jù)同步。EPM7128為Altera的CPLD，這里使用CPLD主要用于PC104到CAN總線轉(zhuǎn)換卡的地址譯碼。CAN總線通信選用SJA1000 CAN總線控制器實(shí)現(xiàn)，為了適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場惡劣的電磁環(huán)境，在SJA1000與PC82C250中經(jīng)過了光隔處理。

　　2.1 PC104總線與IDT7134接口電路

　　PC104總線與IDT7134接口電路圖如圖2所示。

　　PC104嵌入式計(jì)算機(jī)為了讀取雙端口RAM IDT7134的數(shù)據(jù)。首先將IDT7134映射到PC104嵌入式計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器空間，使用SMEMR*、SMEMW*作為IDT7134的OER，R/W控制信號(hào)。另外利用CPLD EPM7128將PC104總線的高3位地址SA19、SA18、SA17譯碼作為IDT7134的片選信號(hào)。

　　2.2 ATmega64與IDT7134接口電路

　　處理器ATmega64采用的是地址線、數(shù)據(jù)線分時(shí)復(fù)用技術(shù)，因此需要進(jìn)行地址鎖存。EPM7128內(nèi)使用VHDL硬件描述語言設(shè)計(jì)了該地址鎖存器。ATmega64與IDT7134接口電路如圖3所示。

　　2.3 CPLD EPM7128內(nèi)部邏輯

　　CPLD EPM7128在整個(gè)設(shè)計(jì)中主要完成譯碼，與地址鎖存的功能。在QuartusⅡ6.0環(huán)境下，通過VHDL硬件描述語言，完成上述功能。其程序源碼如下：

　　在上面的VHDL代碼中CSSJA1000為SJA1000片選信號(hào)，CS7134L為IDT7134左端口片選，CS7134R為IDT7134右端口片選。

　　3 軟件部分

　　要實(shí)現(xiàn)PC104總線與CAN總線的數(shù)據(jù)通信，在上面的硬件設(shè)計(jì)中已經(jīng)提到采用的是雙端口 RAM作為數(shù)據(jù)緩沖的方法，其中涉及在雙端口RAM中開辟數(shù)據(jù)區(qū)作為PC104嵌入式PC機(jī)與ATmega64的軟握手標(biāo)志。握手過程要在PC104嵌入式PC機(jī)與ATmega64的軟件程序中實(shí)現(xiàn)，其過程如下：首先在雙端口RAM中開辟兩個(gè)緩沖區(qū)，分別用來緩沖CAN總線的收發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)PC104總線有數(shù)據(jù)發(fā)到CAN總線上時(shí)，先將數(shù)據(jù)寫到雙端口RAM的CAN數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，然后向雙端口RAM預(yù)留的標(biāo)志字段寫入特定值，通告ATmega64有數(shù)據(jù)要通過CAN總線發(fā)送，ATmega64采用查詢的方式檢測這個(gè)標(biāo)志字段，當(dāng)檢測到標(biāo)志字段的特定值時(shí)，就讀取雙端口RAM的CAN數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，同時(shí)將讀到的數(shù)據(jù)發(fā)到CAN總線上。上述過程后，ATmega64程序?qū)?biāo)志字段復(fù)位。至此完成了PC104總線對(duì)CAN總線的數(shù)據(jù)發(fā)送。CAN總線對(duì)PC104總線的數(shù)據(jù)發(fā)送與此過程相反。

　　3.1 ATmaga64處理器程序

　　ATmaga64處理器對(duì)CAN總線進(jìn)行底層的讀寫工作，同時(shí)將數(shù)據(jù)寫到雙端口RAM IDT7134 中，并將IDT7134中的首存儲(chǔ)字節(jié)設(shè)為標(biāo)志位，通知PC104嵌入式PC機(jī)有數(shù)據(jù)被更新，要求PC104嵌入式PC機(jī)對(duì)IDT7134進(jìn)行讀操作?；谝陨系倪^程ATmaga64處理器程序包括對(duì)SJA1000初始化程序、SJA1000中斷處理程序以及訪問IDT7134的程序。

　　3.2 PC104總線訪問雙口RAM的Linux驅(qū)動(dòng)程序

　　Linux驅(qū)動(dòng)從結(jié)構(gòu)上分為3個(gè)部分：

　　(1)設(shè)備的配置和初始化，包括檢查設(shè)備的存在、狀態(tài)，設(shè)備的注冊(cè)及相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的初始化。一般這部分程序僅在初始化時(shí)調(diào)用一次，他包含在init_module()例程中。

　　(2)I/O請(qǐng)求服務(wù)程序主要通過系統(tǒng)調(diào)用，完成用戶的請(qǐng)求功能，如Read，Write等，設(shè)備的大多數(shù)操作都由I/O請(qǐng)求服務(wù)完成，主要包括Read，Write，Ioct1等例程。

　　(3)中斷服務(wù)子程序，由系統(tǒng)接收所有硬件中斷，然后調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。

　　在Linux系統(tǒng)里，設(shè)備驅(qū)動(dòng)以文件的方式出現(xiàn)，因此設(shè)備驅(qū)動(dòng)的接口就是一個(gè)文件系統(tǒng)的接口，該接口由一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct file_operations{}來定義，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是整個(gè)虛擬文件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口。因此首先定義了PC104總線訪問雙口RAM驅(qū)動(dòng)程序文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　對(duì)于PC104內(nèi)存段Linux內(nèi)核在啟動(dòng)時(shí)就建立了訪問這些地址的頁表，訪問他們的虛擬地址與實(shí)際物理地址不同，因此需要使用ioremap將物理地址映射到虛擬地址，才能夠?qū)C104總線進(jìn)行訪問，來讀取雙口RAM數(shù)據(jù)。ioremap函數(shù)定義為：

　　Void*ioremap(unsigned long phy_addr，unsigned longsize)

　　參數(shù)phys_addr為物理地址，size為物理地址的長度。ioremap函數(shù)的返回值是一個(gè)特殊的虛擬地址，可以用來訪問指定的物理內(nèi)存區(qū)域，這個(gè)虛擬地址最后要調(diào)用iounmap來釋放掉。以下將詳細(xì)介紹Linux驅(qū)動(dòng)程序的各個(gè)函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)。

　　3.2.1 初始化函數(shù)與卸載函數(shù)實(shí)現(xiàn)

　　設(shè)備的配置和初始化函數(shù)init_module()中分別調(diào)用：

　　register_chrdev()：進(jìn)行設(shè)備注冊(cè);

　　request_irq()：請(qǐng)求中斷通道;

　　request_mem_region()：分配I/O內(nèi)存區(qū)域;

　　ioremap()：物理地址映射到虛擬地址。

　　程序源代碼如下：

　　這就完成了設(shè)備驅(qū)動(dòng)的初始化。設(shè)備驅(qū)動(dòng)的卸載部分與初始化程序相反，卸載是回收分配給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的各種資源。cleanup_module()中分別調(diào)用：

　　iounmap()：釋放虛址;

　　release_mem_region()：釋放內(nèi)存區(qū)域;

　　free_irq()：釋放中斷通道。

　　程序源代碼如下：

　　3.2.2 讀函數(shù)實(shí)現(xiàn)

　　讀函數(shù)定義了對(duì)雙口RAM的讀取過程，源代碼如下：

　　其中copy_to_user將內(nèi)核函數(shù)將虛擬地址pPxp-VirtStartAddr上的count個(gè)數(shù)據(jù)拷貝到buf指針指向的用戶空間上。之前設(shè)備的配置和初始化函數(shù)ink_module()中的ioremap()函數(shù)已經(jīng)將雙口RAM物理地址映射到虛擬地址pPxpVirtStartAddr上，因此可以通過pxp_read()函數(shù)讀取雙口RAM。

　　3.2.3 寫函數(shù)實(shí)現(xiàn)

　　寫雙口RAM時(shí)調(diào)用pxp201_write()函數(shù)，其原理與讀雙口RAM相似，只是pxp201_write()函數(shù)中調(diào)用了copy_from_user()內(nèi)核函數(shù)。

　　3.2.4 open函數(shù)與release函數(shù)實(shí)現(xiàn)

　　pxp_open()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)如下，其中使用MOD_INC_USE_COUNT遞增設(shè)備的引用計(jì)數(shù)。

　　pxp201_release()函數(shù)與pxp_open()過程相反，使用MOD_DEC_USE_COUNT遞減設(shè)備的引用計(jì)數(shù)。

　　自此Linux下，雙口RAM的驅(qū)動(dòng)模塊就完成了，可以利用Insmod工具將驅(qū)動(dòng)程序模塊裝入內(nèi)核。這樣就可以在PC104嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)的Linux操作系統(tǒng)下訪問雙端口RAM了。

　　4 結(jié) 語

　　本文介紹了PC104總線與CAN總線通信的硬件實(shí)現(xiàn)，并且在PC104嵌入式計(jì)算機(jī)的Linux操作系統(tǒng)下開發(fā)了PC104總線對(duì)雙端口RAM IDT7134訪問的驅(qū)動(dòng)程序。在IDT7134內(nèi)開辟標(biāo)志區(qū)，利用軟握手的方法實(shí)現(xiàn)了PC104總線與CAN總線的數(shù)據(jù)通信。該轉(zhuǎn)換卡運(yùn)用在工業(yè)控制系統(tǒng)中經(jīng)過實(shí)際測試表明可以穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

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