基于PCI总线CAN卡设计与实现

时间：2007-05-25

摘要：介绍了PCI桥接口芯片PCI9052和CAN接口芯片SJA1000，给出了基于PCI总线的CAN总线适配卡软硬件的设计思路、过程及实现方法。
关键词：PCI总线　　PCI9052　CAN总线　SJA1000

现场总线CAN(Controller Area Network控制器局域网络)以其高性能、高可靠性及独特的设计，越来越受到人们的重视和青睐，不但在汽车行业中应用广泛，而且在工业控制、机器人、医疗器械、传感器等领域发展迅速。为了扩展CAN总线的功能，与计算机相连，可设计具有CAN接口和PC接口的CAN适配卡，用来收集CAN总线上各个节点的信息，转发给PC机，并可将PC机的命令和数据转发给各个节点以及完成对CAN总线上的用户系统的部分监控和管理工作。
PCI总线是Intel公司推出的一种先进的高性能32/64位局部总线，可同时支持多组外围设备，不受制于处理器，数据吞吐量大 (33MHz总线频率、32位传输时峰值可高达132MB/s)。目前PCI是处于主流的计算机总线。以往的CAN卡一般都是基于ISA总线的，由于ISA总线传输速率低，CAN卡必须增加中继控制功能，才能够适应CAN的高速传输，导致造价高、体积大、传输速率低，不利于CAN总线的推广应用。由于PCI总线传输速度快，而且支持热插拔、电源管理等功能，不但能满足CAN总线的高速数据传输，性能高、功能强，而且体积小、价格低、使用方便、应用范围广。
CAN卡的设计包括硬件设计和软件设计。

1 硬件设计
PCI总线是一种独立于CPU的局部总线，不同于传统的ISA总线。由于PCI总线规范定义了严格的电气特性和时序要求，开发难度比ISA总线的开发难度大。实现PCI接口的方案一般有两种：采用可编程逻辑器件和专用总线接口器件。采用可编程逻辑器件实现PCI接口的好处是比较灵活，可把PCI时序模块和功能模块结合在一起，可以利用的器件也比较多(如Altera公司的CPLD器件、Xilinx公司的FPGA器件等)，还可以购买由厂家提供的用VHDL、AHDL等硬件描述语言编制的PCI设计模块，但其设计难度还是很高，因为PCI总线对负载要求、传输数据的建立时间的要求都比较苛刻，同时还需要器件内部实现用于配置的各类寄存器，以及完成逻辑校验、地址译码等工作的寄存器(大致需要15000个门电路)。此外，还需加入FIFO、用户寄存器组和后端设备接口等部分。设计这种PCI总线接口会导致将大量的人力、物力投入到复杂的逻辑验证和时序分析的工作上，开发周期较长。采用专用接口器件虽然没有采用可编程逻辑器件那么灵活，但能够有效地降低接口设计的难度，缩短开发时间。专用接口器件具有较低的成本和很高的通用性，能够优化数据传输，提供配置空间，具备用于突发传输功能的片内FIFO，提供扩展局部总线等优点，并且许多公司还提供配套的开发工具例如评估板或驱动程序开发软件　，使用很方便，开发周期短。目前市场上常见的有PLX、AMCC、Cypress等公司的PCI桥芯片，各个型号的PCI接口芯片的大致特点如表1所示。

表1　各公司PCI接口芯片

公司	芯片型号（模式）	芯片功能及特点	价格	开发技术支持
PLX	PCI9052（从） PCI9054（主）	型号众多，使用方便，性能好	较便宜	提供快速开发板RDK出售
CYPRESS	CY7C09449PVAC（主）	内置DPRAM，有效降低系统成本	便宜	技术文档
TI	PCI2031（从） PCI1251（主）	与TI的DSP可无缝连接	很便宜	提供评估模块
AMCC	AMCC5920（从） AMCC5933（主）	FIFO接口适合于设计数据采集卡，性能好	较昂贵	提供评估板

PCI设备可分为主模式和从模式。主模式桥芯片可以进行DMA操作，而从模式只能接受读写操作。根据PCI提供的传输数据带宽(132MB/s)和CAN总线(1Mbps)的要求，加上经济和开发难度与周期上的考虑(主模式桥芯片较昂贵，开发难度较大)，又因不需要DMA功能，采用从模式桥芯片足以满足传输数据的需要。此外，选择芯片不仅考虑性能和经济上的要求，而且还需要考虑硬件开发和驱动程序开发的难易。如果不提供足够的芯片说明和应用样例及开发工具，将大大增加开发难度和延长开发周期。因此，采用PLX公司的PCI总线目标接口芯片PCI9052作为CAN卡中的PCI接口芯片，负责与计算机之间的数据通信。
PCI9052是PLX公司开发的低价格PCI总线从模式接口芯片，低功耗，符合PCI2.1规范，提供的局部总线(Local Bus)可通过编程设置为8/16/32位的(非)复用总线。其主要特点有：
(1)直接数据转换模式 PCI9052支持PCI到Local Bus的内存映射和I/O映射的突发读写。
(2)ISA接口逻辑 PCI9052支持通过8/16位内存映射或I/O映射从PCI到ISA总线的单周期读、写访问。方便从ISA卡向PCI卡的转换。
(3)中断产生器由Local Bus的两个中断信号可以产生一个PCI中断信号：INTA#。
(4)局部总线 PCI9052提供的局部总线不但可编程，而且与PCI总线的时钟相互独立运行，可实现异步操作，总线操作自动实现时序同步。两总线的异步运行方便了高、低速设备的兼容。局部的运行时钟频率范围0~40MHz、TTL电平，可由PCI提供或由用户自行提供；PCI的运行时钟频率范围0~33MHz。
(5)串行EEPROM 用于存放PCI BUS和Local Bus的部分配置信息。
(6)4个局部设备片选基址和地址范围可以由串行EEPROM或主控设备进行设置。
(7)5个局部地址空间基址和地址范围及其映射可以由串行EEPROM或主控设备进行设置。
(8)Big/Little Endian模式的字节交换适合不同计算机体系。
(9)局部总线等待状态除了等待信号LRDYi#用于握手之外，PCI9052还有一个内部等待产生器(包括地址到数据周期、数据到数据周期和数据到地址周期的等待)。
(10)延迟读模式 PCI9052支持PCI2.1规范的延迟读模式。
(11)FIFO PCI9052包括一个64Byte的写FIFO和一个32Byte的读FIFO，从而支持预取模式、即突发操作。
(12)PCI锁定机制主控设备可以通过锁定信号占有对PCI9052的访问权。
由于CAN总线的迅猛发展，许多芯片厂商开发了很多系列的CAN通信控制器芯片。如表2所示。

表2　主要CAN总线芯片

制造商	芯片型号	芯片功能及特点
Intel	82527 8XC196CA/CB	CAN通信控制器，符合CAN2.0B扩展的8XC196+CAN通信控制器，符合CAN2.0B
Philips	SJA100 82C250 P51XA-C3	CAN通信控制器，符合CAN2.0B高性能CAN总线收发器16位微控制器+CAN通信控制器，符合CAN2.0B
Motorola	68HC05X4系列	68HC05微处理器+CAN通信控制器
NEC	72005	CAN通信控制，符合CAN2.0A/B

由于PCI9052可以启动局部总线的读写，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SJA1000。SJA1000支持BasicCAN和PeliCAN模式，具有FIFO、支持热插拔等功能，不但可以实现CAN总线接口功能，而且芯片可以根据晶振的频率，输出可编程的CLKOUT信号，该信号正好可作为PCI9052的局部总线的总线频率，节省了器件，方便了设计。CAN总线的总线频率可为12MHz、16MHz或24MHz，PCI9052自动实现局部总线与PCI总线的访问同步。CAN总线收发器采用82C250。该芯片是CAN总线控制器和物理总线的接口，可以提供对CAN总线的差动发送和接受能力，具有抗瞬间干扰、保护总线的能力，可以通过调整CAN总线上通讯脉冲的边沿斜率来降低射频干扰。
由于PCI设备在计算机中的硬件资源是系统动态分配的，因此在设计出基本的硬件框架后，要进行PCI配置设计。CAN卡的硬件资源为映射SJA1000内部寄存器的内存映射空间和一个中断源。PCI9052提供5个局部地址空间，可以选用其中的一个作为SJA1000的地址空间，分配32个8位地址。同时设置相应的初始化，PCI配置寄存器中的寄存器PCIBAR2设置为0XFFFFFFE0，向系统请求分配内存的数量为32，类型为不可预读，其它寄存器的值可设置为0。设置局部地址空间的范围为0X00000000~0X00000020。PCI9052提供2个局部中断源，利用LINTi1即可，注意的是：LINTi1信号线没有驱动能力，SJA1000的INT引脚也没有驱动能力，因此该信号线必须加上拉电阻，否则该信号线的电平不确定，工作肯定不正常。SJA1000提供电平触发中断信号，因此PCI9052的中断触发模式设置为电平触发。利用PCI9052的局部设备片选CS0#作为SJA1000的片选信号。CS0#片选信号的起始地址和地址范围由CS0 Base Address寄存器设置，值为0X00000002。另外，PCI9052的LRDYi#信号为局部总线数据准备信号，SJA1000的寄存器地址映射成地址，数据传输不存在延迟等待，因此LRDYi#引脚可接地，表示SJA1000的寄存器总是立即可读写。PCI9052寄存器的初始值由串行EEPROM提供，在PCI9052加电后读取。EEPROM必须采用支持连读功能的芯片，本设计采用Microchip的92LC46B。用PLX公司提供的开发工具PlxMon可对90LC46B进行读写。
PCI9052的硬件调试可采用PlxMon。利用它可以对PCI设备的配置资源进行检验。利用PLX提供的SDK，可以对PCI9052的局部寄存器、局部总线及EEPROM进行读写，这样可以调试硬件。借助开发工具，不必开发PCI设备的调试软件，可节省很多时间。同时，SDK也为驱动程序的开发提供了程序框架，加快了开发进度。
CAN卡的电路框图如图1所示。

2 软件设计
软件设计包括驱动程序的设计和COM组件程序设计。
由于PCI设备的中断、I/O端口、映射内存等资源都是动态分配的，必须编写驱动程序管理硬件，才能供用户编程使用。为了通用性和兼容性，CAN卡驱动程序的开发采用支持Windows XP、Windows2000和Windows98的WDM驱动程序。开发工具采用Visual C++6.0和Win2000 DDK。由于CAN卡上没有微控制器，因此对CAN总线端口的所有操作都是由驱动程序来完成的。这不仅可以由计算机来实现复杂的功能，例如，错误检测、断点续传等，同时节省了硬件，而且有利于CAN卡的升级--只要更换驱动程序即可。驱动程序的功能主要是配置SJA1000的CAN接口、收发CAN总线上的数据、对CAN总线进行实时监测、接收用户程序的收发命令。收发数据和ＣＡＮ总线错误均采用中断处理，驱动程序可以快速响应，通过事件(Event)内核对象直接通知给用户程序。由于WDM驱动程序运行在系统的内核态，编写非常复杂，限于篇幅，仅给出软件的框图(见图2)。

为了方便用户的使用，还应编写相应的API函数或ActiveX控件等其它应用层的程序提供给用户。由于ActiveX控件基于先进的COM技术，具有良好的封装性、使用灵活性等特点，可使用户编程简单、方便，因此在CAN卡的设计中编写了ActiveX控件。ActiveX控件负责与驱动程序的通信，通过控件的事件把CAN卡接收的数据通知给用户程序，利用控件的属性设置CAN通信控制器，按照设置的方法发送用户程序的数据。
根据以上的设计，开发了名为Can1000的CAN卡。经使用证明，该卡设计简单明了、性能较高、成本低廉、驱动程序和ActiveX控件使用方便，达到了设计和用户的要求。

参考文献
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[6]. PCI2031 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCI2031_543256.html.
[7]. TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[8]. Microchip datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Microchip_1097736.html.
[9]. COM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/COM_1118194.html.
[10].PCI 9052 Data Book. PLX公司,2001
[11]. Winows2000 DDK Documents．微软公司,2000
[12]. Chris Cant著,孙义等译．Windows WDM设备驱动程序开发指南．北京：机械工业出版社，
2000
[13]. 阳宪惠．现场总线技术及其应用．北京：清华大学出版社1999

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