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      引言
 
      LPC2294是PHILIPS公司推出的一款功能強大、超低功耗且具有ARM7TDMI內核的32位微控制器。它具有豐富的片上資源，完全可以滿足一般的工業(yè)控制需要，同時還可以減少系統(tǒng)硬件設計的復雜度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

      CAN(“Controller Area Network”)總線控制器局域網是一種能有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN總線以其高性能、高可靠性、廉價等特性，越來越受到人們的重視和青睞。為了有效的管理工業(yè)現場的CAN節(jié)點，充分發(fā)揮CAN總線的性能，通信卡的設計與研究十分必要。但目前市場上類似產品存在著兩點不足。

      首先是一般工業(yè)現場中可能擁有不止1條CAN總線，而目前設計的通信卡上的CAN的接口太少，因而會給設備的集中管理帶來困難。

      二是目前兩條CAN網段問的通信主要通過一對一CAN總線網橋來實現，但這種方式解決不了工業(yè)現場中同時在幾條CAN網段問傳輸數據的需求，也容易導致組網混亂。

      為此，本設計選用的ARM控制器LPC2294內部集成有四路CAN控制器，完全符合CAN規(guī)范CAN2.0B標準和ISO11989-1標準。全局驗收過濾器可識別幾乎所有總線的11位和29位Rx標識符。作為本設計的核心部件，LPC2294的使用能夠很好地解決上述2個問題，它不僅能擔起主控制器的工作，同時還可作為CAN網絡的數據傳輸控制器，來與網絡中的節(jié)點實現數據交換。

      1 硬件設計方案

      目前計算機的發(fā)展，除了少數專門的工控機還在使用ISA總線以外，PC機上使用最為普遍的就是PCI總線了。PCI總線是Intel公司推出的一種高性能32／64位PC機局部總線，可能同時支持多組外圍沒備而不受制于處理器，其數據吞吐量很大(33 MHz總線頻率、32位傳輸時，其峰值可高達132 MB／s)，PCI總線依靠其優(yōu)越的性能必將取代ISA總線。因此，本文基于PCI總線來設計一個帶有4個CAN總線網段的智能通信卡。圖1是該通信卡的整體硬件結構圖。

      1.1 PCI總線接口的實現

      PCI總線具有非常嚴格的規(guī)范，也具有良好的兼容性。但是PCI總線協(xié)議也比較復雜。本設計選用專用的PCI總線接口芯片PCI9030來實現網關的PCI總線接口。PCI9030是PLX公司開發(fā)的低價格PCI總線從模式接口芯片。該芯片功耗低，符合PCI2.2規(guī)范，用戶設計時只需考慮局部總線一側的邏輯控制電路和用于配置的外部EEP-ROM，而不必考慮PCI協(xié)議的具體實現方法，這樣就大大簡化了設計難度，縮短了開發(fā)周期。

      PCI9030要求有一塊EEPROM作為初始化存儲器。在系統(tǒng)加載時，PCI9030先從該EEPROM中加載初始數據，進行初始設置，因此，EEP-ROM中的信息是否正確決定了PCI卡的加載和運行是否正常。本設計選用ST93CS56作為PCI9030的初始化存儲器，其結構方案如圖2所示。

      1.2 CAN總線接口的實現

      該通信卡中CAN總線接口部分實現有以下兩種常用的方法：

      (1) 獨立CAN總線控制芯片實現

      即采用飛利浦公司的SJA1000獨立CAN控制器來實現CAN協(xié)議。這種方法的優(yōu)點是能實現較復雜的功能，靈活性也不錯，但由于它是獨立的控制器，設計通信卡擁有4個CAN網段就需要4片SJA1000，這樣會造成資源冗余，系統(tǒng)會比較龐大，而且穩(wěn)定性也會受影響，設計難度也較大。

      (2) 帶CAN接口的微控制器實現

      該方法具有代表性的有飛利浦公司的ARM芯片LPC2294，它集成有4路片上CAN總線控制器，能很方便地實現多路CAN總線接口，減小系統(tǒng)規(guī)模，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

      比較上述兩種方法，在傳統(tǒng)的SJA1000中，接收過濾只能滿足一些規(guī)律性較高的ID篩選過濾，或對個數較少的ID (一般小于10～15個)進行任意篩選過濾，而難以實現更復雜的任意ID進行篩選過濾，這無疑增加了系統(tǒng)軟件設計及運行負擔。而第二種設計方法相對較為簡便。由于LPC2294微控制器中為所有CAN控制器提供了全局的接收標識符查詢功能，因而能容易地設計較復雜的ID接收過濾，其工作的重點主要在ARM芯片的軟件設計上。本文采用第二種方法來實現CAN總線接口，并采用PCA82C250作為CAN總線驅動器，同時將6N137連入CAN控制器和CAN驅動器之間以降低CAN總線對網關卡的電磁干擾。圖3所示是LPC2294中一個CAN接口的連接圖，其它接口與之類似。

      1.3 微控制器與PCI9030之間的硬件接口設計

      微控制器與PCI9030之間的硬件設計是該通信卡的核心控制部分。本設計采用ALTERA公司的FPGA EPlC6來實現微控制器與PCI9030之間的接口。EPlC6是ALTERA公司的一款FPGA芯片，它內部集成了20塊128×36 bits的RAM模塊，可以方便地將它編程為所需要的“雙口RAM”，然后將上行數據(CAN節(jié)點發(fā)往PC機的數據)和下行數據(PC機發(fā)往CAN節(jié)點的數據)通過該“雙口RAM”緩存轉發(fā)。由于EPlC6擁有豐富的I／O口，故可靈活選擇數據格式(32位／16位／8位)以及傳輸方法，本文采用16位復用傳輸模式。

      EPlC6還要編程實現PCI9030與ARM之間的邏輯控制時序轉換。由于PCI9030與ARM的控制信號不完全一致，所以需要進行邏輯控制時序轉換。同時，本文PCI9030的局部總線一側采用的是地址／數據復用模式，而ARM控制器采用的是非復用模式，因此也需要EPlC6進行模式轉換：在PCI9030的地址周期內可利用LALE將16位地址鎖存到EPlC6內部寄存器，等到PCI9030的數據周期來臨時，再與數據一起送到ARM的地址口與數據口上，以方便ARM取用。

      2 軟件設計

      2.1 通信卡軟件設計

      通信卡上的軟件主要指的是ARM控制器上的軟件程序。本文選用ARM控制器LPC2294來實現智能數據傳輸路徑選擇。LPC2294是通信卡的控制核心。它集成有4路CAN控制器，每個CAN控制器都與獨立CAN控制器SJA1000有著相似的寄存器結構，它只是對器件寄存器訪問由原來的8bit字節(jié)訪問轉變?yōu)榱?2 bit的雙字訪問。LPC2294可實現CAN網段與上位機之間的數據傳輸控制(包括上行數據傳輸和下行數據傳輸)以及不同CAN網段間的數據傳輸控制(平行數據傳輸)。

      LPC2294為所有CAN控制器提供了全局接收標識符查詢功能。它包含一個512×32 (2 k字節(jié))的RAM，可通過軟件處理在RAM中存放1～5個標識符表格。整個接收濾波RAM可容納1024個標準標識符或512個擴展標識符，或兩種類型的混合標識符。由于允許的表格范圍有2 k字節(jié)，故能容易地滿足復雜的ID接收過濾要求。LPC2294在FullCAN模式下能自動接收并選定網段的標準幀，但本文不采用FullCAN模式。

      若在EPlC6的“雙口RAM”中設置一個狀態(tài)與控制寄存器組(SOR)，那么，上位機便可通過訪問該寄存器組查詢通信卡的運行狀態(tài)。為了有效管理數據傳輸，防止傳輸過程中的數據丟失，本設計在ARM內部的靜態(tài)RAM區(qū)開辟了一個全局數據收發(fā)緩存區(qū)(GRTB)，其示意圖如圖4所示。

      圖4中，對于標準幀來說，它只有11位標識符，因此，圖中的標識符字節(jié)3和4保留不用。而幀格式用來區(qū)別此幀是標準幀(0)還是擴展幀(1)。當RTR為1時，表示此幀是遠程幀。圖中的源段號和目的段號用于表明此幀來自哪個網段以及將要送往哪個網段(此處將上位機也作為其中一段來處理)。DLC表明傳輸的數據字節(jié)數目。

      2.2 通信卡的運行流程

      系統(tǒng)上電復位后，系統(tǒng)將首先運行初始化程序。LPC2294的初始化主要是初始化全局接收和發(fā)送緩沖區(qū)以及清除狀態(tài)寄存器中的值等；PCI9030的初始化主要是從EEPROM中加載初始數據以進行初始設置，CAN初始化包括設置模式、總線時序、中斷使能、標識符表格，這些設置均可通過給CAN芯片的內部寄存器賦值來實現。初始化成功之后，通信卡將進行自檢，并在確定啟動正常之后進入工作狀態(tài)。這一部分的程序流程圖如圖5的A部分所示。

      系統(tǒng)進入工作狀態(tài)后(圖5中的B部分)將等待中斷產生，如有，則進人相應的中斷服務程序。如果是數據傳輸，則轉入數據傳輸子程序，數據傳輸子程序主要包括3個部分：

      (1) 下行數據傳輸

      下行數據傳輸指的是上位機向CAN網段發(fā)送數據。即上位機把數據寫入到“雙口RAM”中以等待LPC2294將數據取走。LPC2294將上位機發(fā)來的數據暫時存放在全局數據收發(fā)緩存區(qū)(GRTB)中，然后檢查匹配的目的段是否有空閑的發(fā)送區(qū)(CANSR中的TBS位為1)，若有則將數據分別寫入每個網段的發(fā)送區(qū)并發(fā)送。如果匹配網段的3個發(fā)送緩沖器全為忙，則循環(huán)等待，直到有一個以上的發(fā)送緩沖器為空再進行發(fā)送。

      (2) 上行數據傳輸

      上行數據傳輸指的是CAN網段向上位機發(fā)送數據。當程序檢測到某個網段X的CAN中斷／捕獲寄存器(CANICR)中的接收中斷位(RI)置位后，它將進入接收中斷服務程序。此時程序將到標識符表格中查找匹配的標識符，CAN控制器會在接收時自動搜索接收濾波器的RAM中的表格并進行匹配，只要找到匹配值則產生接收中斷并通知用戶保留信息，否則自動放棄這一幀信息而不產生接收中斷，如果它只找到一個匹配值(源網段中)，則說明此數據是只傳輸給上位機的，此時程序會將接收到的數據信息按上面介紹的格式保存到全局數據收發(fā)緩沖區(qū)(GRTB)，以等待LPC2294將其發(fā)送給EPlC6的“雙口RAM”，以便上位機讀取。

      (3) 平行數據傳輸

      當出現接收中斷時，程序也會到標識符表格中查找匹配的標識符，如果找到一個以上的匹配值，則說明還有其他網段需要這些數據。此時程序會將接收到的數據信息讀入到全局數據收發(fā)緩沖區(qū)(GRTB)中去，然后把數據發(fā)往匹配網段。

      在調用相應的數據傳輸子程序后，程序將置標志位并返回。如果是其它一些中斷，則轉入相應的中斷服務程序。若沒有中斷產生，則檢查PC機是否有參數配置需要，最后進行系統(tǒng)自檢。本系統(tǒng)會在系統(tǒng)閑暇時進行自檢并上傳狀態(tài)報表，這樣可以使用戶隨時了解通信卡的工作情況，對于提高系統(tǒng)的工作可靠性以及出現故障時的查錯效率具有重要的意義。

      2.3 上位機程序設計

      本設計中，上位機軟件設計程序主要包括通信卡底層驅動程序和用戶服務程序。其設計框圖圖6所示。

      通信卡底層驅動程序的功能主要是配置CAN總線接口、收發(fā)CAN總線上的數據、對CAN總線進行實時監(jiān)測、執(zhí)行用戶程序的收發(fā)命令等。CAN總線和PCI總線錯誤均采用中斷處理，并通過事件(Event)內核對象直接通知給用戶程序。

      PCI的用戶服務程序則通過PCI通信程序與系統(tǒng)PCIDI (PCI device interface)進行通信，并由系統(tǒng)完成PCI協(xié)議的處理與數據傳輸。用戶可以在設計好的上位機界面上方便的設定節(jié)點參數，查詢節(jié)點狀態(tài)信息。

      3 結束語

      本文設計的CAN／PCI智能通信卡采用功能強大的ARM芯片LPC2294作為核心控制芯片，因此，該通信卡能夠同時處理4路CAN總線向上位機的數據傳輸。對于CAN網段之間的通信需求，本通信卡也能夠很好地滿足，并可使工業(yè)現場的CAN網絡組網更為簡單。