基于DSP的PCI總線CAN適配器設(shè)計(jì)

1 引 言

　　CAN總線是一種開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的串行總線，是一種具有較高性價(jià)比、能滿足分布式控制要求的現(xiàn)場總線，在控制領(lǐng)域得到廣泛采用。CAN的速率可達(dá)到1 Mb／s／40 M，最大傳輸距離可達(dá)10 km／5 kb／s。為了擴(kuò)展CAN總線的監(jiān)控、管理功能，需要一種實(shí)時(shí)、可靠的CAN總線PC適配器，實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線監(jiān)視、控制和操作。本文利用TMS320LF2407芯片自帶CAN模塊，設(shè)計(jì)成CAN的一個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)。使其即能通過PCI接口同PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，又能獨(dú)立與PC機(jī)自主運(yùn)行。

2 適配器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 CAN接口實(shí)現(xiàn)

　　以往CAN總線適配器多數(shù)采用Intel82527、Philips公司的SJA100等芯片來完成CAN通信控制。本文利用TMS320LF2407內(nèi)嵌的CAN模塊作為CAN通訊控制器，該模塊是一個(gè)16位的外設(shè)模塊。他完全支持CAN 2.0B協(xié)議，可工作在標(biāo)準(zhǔn)模式和擴(kuò)展模式，支持?jǐn)?shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀，數(shù)據(jù)收發(fā)采用郵箱方式；有可編程位定時(shí)器，可對(duì)中斷配置編程，可編程實(shí)現(xiàn)總線喚醒功能；能自動(dòng)回復(fù)遠(yuǎn)程請(qǐng)求，有完備的錯(cuò)誤診斷功能；可進(jìn)行自測試，有自動(dòng)收發(fā)功能。PCA82C250是驅(qū)動(dòng)CAN控制器和物理總線間的接口芯片，與DSP2407的CAN模塊相連，完成DSP對(duì)CAN總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。

2.2 PCI接口實(shí)現(xiàn)

　　采用H.X公司的PCI9052實(shí)現(xiàn)PCI總線接口功能，PCI9052可與多種局部總線相連接，并且可支持相對(duì)慢的局部總線，在PCI總線上達(dá)到突發(fā)傳輸速率132 m／s。PCI9052擁有讀寫FIFO，32位的字寬，33 M的PCI總線時(shí)鐘頻率。主要功能與特性如下：

　　(1)符合PCI2.1規(guī)范的目標(biāo)，接口芯片支持低成本從屬適配器；

　　(2)支持非復(fù)用或多路復(fù)用8位、16位、32位局部總線；

　　(3)串行E2PROM用于裝載配置信息；

　　(4)具有5個(gè)局部地址空間和4個(gè)局部地址空間的片選信號(hào)；

　　(5)支持局域總線與PCI時(shí)鐘的異步運(yùn)行。

2.3 總體設(shè)計(jì)思想

　　適配器采用存儲(chǔ)器共享的方式實(shí)現(xiàn)DSP與PC的數(shù)據(jù)交換。其中共享存儲(chǔ)器選用集成雙口RAM IDT7130。IDT7130容量為1 kb，其左口連接DSP2407，右口連接PCI9052，使用存儲(chǔ)器尋址方式。同時(shí)，對(duì)IDT7130 2個(gè)端口的仲裁采用的是中斷線的方式。片上的DSP和PC機(jī)通過互發(fā)中斷來讀取IDT7130的數(shù)據(jù)。這樣使IDT7130成為上位機(jī)和DSP的數(shù)據(jù)交換中介，DSP能夠?qū)崟r(shí)處理從上位機(jī)傳來的命令和數(shù)據(jù)，同時(shí)把各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的信息傳給上位機(jī)。利用一塊串行E2PROM(93CA6B)存放適配器的PCI配置信息。上電后訪問93C46B，實(shí)現(xiàn)本適配器的自動(dòng)配置。Altera公司的EPM7064S完成地址譯碼和邏輯控制。適配器原理圖如圖1所示：

2.4 電源、地及噪聲的處理

　　在本設(shè)計(jì)中對(duì)電源的處理首先將模擬部分的電源和數(shù)字電路部分的電源進(jìn)行隔離，即分別供電。模擬電路部分的5 V電源分別取自PCI總線上的12 V電源，經(jīng)線性穩(wěn)壓后，再經(jīng)去耦、濾波后引至專門設(shè)計(jì)的模擬電源平面。數(shù)字部分的5 V電源直接取自PCI總線上的5 V電源。數(shù)字部分的3.3 V電源亦取自PCI總線上的5 V電源，經(jīng)穩(wěn)壓后得到。在PCB的層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也充分考慮到盡可能地保留完整、大而積的電源平面層。適配器的“地”事實(shí)上分為模擬地和數(shù)字地2部分。這2部分最終在電源平面入口處相連。使得模擬地相對(duì)干凈。從而減少疊加到信號(hào)上的噪聲，有利于提高信噪比。

3 適配器的硬件設(shè)計(jì)

　　適配器的硬件設(shè)計(jì)主要包括2部分：PCI適配器驅(qū)動(dòng)軟件部分和DSP數(shù)據(jù)采集處理軟件部分。

3.1 PCI適配器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　由于PCI設(shè)備的中斷，1／0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?？紤]到適配器的通用性和兼容性，驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)采用支持Windows XP，Windows 2000，Windows 98的WDM驅(qū)動(dòng)程序。開發(fā)工具采用Visual C++6.0。WDM(WindowsDriver Model)是NT4.0內(nèi)核模式設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模型的擴(kuò)展形式，是為基于Windows 2000的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供的一種新的開發(fā)模型。本設(shè)計(jì)使用開發(fā)工具WINDRIVER大大簡化驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。通過DiverWizard開發(fā)者很容易生成驅(qū)動(dòng)程序框架，同時(shí)，WINDRIVER和VC有很好的接口。生成驅(qū)動(dòng)框架后在VC中就可以通過在工程項(xiàng)目中加入9052_lib.c，在應(yīng)用程序開頭直接引用#include"9052lib.h"，并0添加特定的驅(qū)動(dòng)代碼完成驅(qū)動(dòng)程序的編寫。下面是驅(qū)動(dòng)程序主函數(shù)的部分代碼：

3.2 PCI適配器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　固化在DSP中的應(yīng)用軟件是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行的支撐軟件。主體程序采用ASIC C語言編寫。他主要完成以下功能：

　　(1)環(huán)境初始化；

　　(2)從CAN總線接受數(shù)據(jù)；

　　(3)從RAM中讀數(shù)；

　　(4)系統(tǒng)的控制程序；

　　(5)向CAN總線發(fā)送任務(wù)包；

　　(6)向PC上傳數(shù)據(jù)。

　　系統(tǒng)的控制程序根據(jù)用戶系統(tǒng)的需求自主來開發(fā)。由于DSP20417是16位單片機(jī)有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和實(shí)時(shí)控制功能。他要處理所有的CAN數(shù)據(jù)包的解釋，而且能夠滿足分布實(shí)時(shí)控制的現(xiàn)場總線要求。在實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)下層的控制器向PC機(jī)的傳遞數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于PC機(jī)下傳的數(shù)據(jù)量，因此在數(shù)據(jù)編碼時(shí)將控制信息、采樣數(shù)據(jù)編號(hào)信息和控制量、采集量均加載在數(shù)據(jù)字節(jié)里。由此CAN總線通訊協(xié)議的形式為：“ID號(hào)+數(shù)據(jù)+校驗(yàn)”，其中ID號(hào)為各DSP采集器編號(hào)采用11位標(biāo)識(shí)符的前4位。為了保證通訊的可靠性，在數(shù)據(jù)接受后，都由一個(gè)返回幀，以表示確認(rèn)，其校驗(yàn)位為發(fā)送端的固定代碼。DSP上傳實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的發(fā)送采用定時(shí)查詢的方式，查詢采樣是否結(jié)束并且進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后，立即將數(shù)據(jù)通過CAN控制裝載并發(fā)送到CAN總線上。基本流程如圖2所示。

4 應(yīng)用實(shí)例

　　應(yīng)用該CAN通訊適配器對(duì)實(shí)驗(yàn)室3臺(tái)交流異步電機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖3所示。在通信時(shí)，CAN總線設(shè)為多主結(jié)構(gòu)。PCICAN轉(zhuǎn)換卡地址是1，電機(jī)A、電機(jī)B、電機(jī)C的地址分別為2，3，4。變頻器控制電機(jī)A以v0速度左右10％的額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)線性變化，同時(shí)CAN收發(fā)器1發(fā)送電機(jī)A轉(zhuǎn)速的數(shù)字量至CAN卡。CAN卡同步實(shí)時(shí)發(fā)送信號(hào)至CAN收發(fā)器2，3，調(diào)節(jié)電機(jī)B，C使其分別以速度1.1v0，1.2V0工作。CAN卡同時(shí)分別采集每個(gè)電機(jī)速度發(fā)送至PC機(jī)，以便人機(jī)監(jiān)控調(diào)整。系統(tǒng)的人機(jī)界而是基于Windows平臺(tái)用VC”6.0語言開發(fā)，DSP內(nèi)部程序用ASIC C語言編寫，實(shí)際運(yùn)行控制結(jié)果表明該系統(tǒng)工作可靠、電機(jī)調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快。

5 結(jié)語

　　本文設(shè)計(jì)的CAN總線適配器實(shí)用性強(qiáng)，并具有良好的可擴(kuò)展性。在WIN2000系統(tǒng)下經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行測試，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。他可以適應(yīng)不同的傳輸速率和距離，有效保證工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。DSP芯片一方面對(duì)CAN總線各控制節(jié)點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行高速運(yùn)算處理，另一方面通過PCI總線進(jìn)行人機(jī)數(shù)據(jù)交互，起封一種CAN總線中主控節(jié)點(diǎn)的作用。