基于Linux的PC104总线与CAN总线通信设计

　　1 引 言

　　PC104嵌入式工业计算机由于其小尺寸结构、堆栈式连接、轻松总线驱动的特点得到了广泛的应用。现场总线领域中，CAN总线得到了计算机芯片商的广泛支持，他们纷纷推出直接带有CAN接口的微处理器(MCU)芯片。

　　带有CAN的MCU芯片总量已经达到1亿3 000万片，因此在接口芯片技术方面，CAN已经于FF，PRO-FIBUS，LONWORKS等其他所有现场总线。但是PC104总线不能与CAN总线直接通信，因此在CAN总线控制系统中难以运用。

　　针对以上问题，以AVR单片机为协处理器设计了PC104总线与CAN总线的转换卡并且考虑到PC104嵌入式工业计算机上通常运行Linux操作系统的特点，编写了转换卡Linux下PC104总线访问双口RAM的驱动程序。该转换卡运用在工业控制系统中，实际表明可以稳定可靠地运行。

　　2 硬件部分

　　PC104到CAN总线转换卡的硬件系统框图如图1所示。在PC104总线与CAN总线的通信中，要考虑的主要问题是PC104总线与CAN总线数据同步问题。PC104总线与CAN总线的总线速度存在很大差异，针对这样的问题通常采用的方法是使用双端口RAM或FIFO作为缓冲器，这里使用双端口RAM作为数据缓冲，同时在双端口RAM中预留几个字节作为ATmega64处理器与PC104嵌入式计算机的软握手信号，通过以上方法完成PC104总线与CAN总线的数据同步。EPM7128为Altera的CPLD，这里使用CPLD主要用于PC104到CAN总线转换卡的地址译码。CAN总线通信选用SJA1000 CAN总线控制器实现，为了适应工业现场恶劣的电磁环境，在SJA1000与PC82C250中经过了光隔处理。

      2.1 PC104总线与IDT7134接口电路

      PC104嵌入式计算机为了读取双端口RAM IDT7134的数据。首先将IDT7134映射到PC104嵌入式计算机的存储器空间，使用SMEMR*、SMEMW*作为IDT7134的OER，R／W控制信号。另外利用CPLD EPM7128将PC104总线的高3位地址SA19、SA18、SA17译码作为IDT7134的片选信号。

　　2.2 ATmega64与IDT7134接口电路

　　处理器ATmega64采用的是地址线、数据线分时复用技术，因此需要进行地址锁存。EPM7128内使用VHDL硬件描述语言设计了该地址锁存器。ATmega64与IDT7134接口电路如图3所示。

 

      2.3 CPLD EPM7128内部逻辑

      CPLD EPM7128在整个设计中主要完成译码，与地址锁存的功能。在QuartusⅡ6.0环境下，通过VHDL硬件描述语言，完成上述功能。其程序源码如下：

 

      在上面的VHDL代码中CSSJA1000为SJA1000片选信号，CS7134L为IDT7134左端口片选，CS7134R为IDT7134右端口片选。

      3 软件部分

      要实现PC104总线与CAN总线的数据通信，在上面的硬件设计中已经提到采用的是双端口 RAM作为数据缓冲的方法，其中涉及在双端口RAM中开辟数据区作为PC104嵌入式PC机与ATmega64的软握手标志。握手过程要在PC104嵌入式PC机与ATmega64的软件程序中实现，其过程如下：首先在双端口RAM中开辟两个缓冲区，分别用来缓冲CAN总线的收发数据。当PC104总线有数据发到CAN总线上时，先将数据写到双端口RAM的CAN数据发送缓冲区，然后向双端口RAM预留的标志字段写入特定值，通告ATmega64有数据要通过CAN总线发送，ATmega64采用查询的方式检测这个标志字段，当检测到标志字段的特定值时，就读取双端口RAM的CAN数据发送缓冲区，同时将读到的数据发到CAN总线上。上述过程后，ATmega64程序将标志字段复位。至此完成了PC104总线对CAN总线的数据发送。CAN总线对PC104总线的数据发送与此过程相反。

      3.1 ATmaga64处理器程序

      ATmaga64处理器对CAN总线进行底层的读写工作，同时将数据写到双端口RAM IDT7134 中，并将IDT7134中的首存储字节设为标志位，通知PC104嵌入式PC机有数据被更新，要求PC104嵌入式PC机对IDT7134进行读操作。基于以上的过程ATmaga64处理器程序包括对SJA1000初始化程序、SJA1000中断处理程序以及访问IDT7134的程序。

      3.2 PC104总线访问双口RAM的Linux驱动程序

      Linux驱动从结构上分为3个部分：

      (1)设备的配置和初始化，包括检查设备的存在、状态，设备的注册及相关设备驱动程序的初始化。一般这部分程序仅在初始化时调用，他包含在init_module()例程中。

      (2)I／O请求服务程序主要通过系统调用，完成用户的请求功能，如Read，Write等，设备的大多数操作都由I／O请求服务完成，主要包括Read，Write，Ioct1等例程。

      (3)中断服务子程序，由系统接收所有硬件中断，然后调用相应的中断服务子程序。

      在Linux系统里，设备驱动以文件的方式出现，因此设备驱动的接口就是一个文件系统的接口，该接口由一个数据结构struct file_operations{}来定义，该数据结构是整个虚拟文件系统的标准接口。因此首先定义了PC104总线访问双口RAM驱动程序文件系统的数据结构。

 

      对于PC104内存段Linux内核在启动时就建立了访问这些地址的页表，访问他们的虚拟地址与实际物理地址不同，因此需要使用ioremap将物理地址映射到虚拟地址，才能够对PC104总线进行访问，来读取双口RAM数据。ioremap函数定义为：

      Void*ioremap(unsigned long phy_addr，unsigned longsize)

      参数phys_addr为物理地址，size为物理地址的长度。ioremap函数的返回值是一个特殊的虚拟地址，可以用来访问指定的物理内存区域，这个虚拟地址要调用iounmap来释放掉。以下将详细介绍Linux驱动程序的各个函数的具体实现。

      3.2.1 初始化函数与卸载函数实现

      设备的配置和初始化函数init_module()中分别调用：

      register_chrdev()：进行设备注册；

      request_irq()：请求中断通道；

      request_mem_region()：分配I／O内存区域；

      ioremap()：物理地址映射到虚拟地址。

      程序源代码如下：

　　这就完成了设备驱动的初始化。设备驱动的卸载部分与初始化程序相反，卸载是回收分配给设备驱动程序的各种资源。cleanup_module()中分别调用：

　　iounmap()：释放虚址；

　　release_mem_region()：释放内存区域；

　　free_irq()：释放中断通道。

　　

  

参考文献:

[1]. ATmega64 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ATmega64_144679.html.
[2]. EPM7128 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EPM7128_1135902.html.
[3]. CPLD datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
[4]. SJA1000 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SJA1000_609075.html.
[5]. IDT7134 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/IDT7134_1936100.html.