關(guān)于PCI9052在多功能CAN適配卡中的應用研究

0 概述

PCI總線(xiàn)是一種獨立于CPU的局部總線(xiàn)，實(shí)現PCI接口的方案一般有兩種：采用可編程邏輯器件和專(zhuān)用總線(xiàn)接口器件。采用可編程邏輯器件實(shí)現PCI接口的好處是比較靈活，但其設計難度很高，因為PCI總線(xiàn)對負載要求、傳輸數據的建立時(shí)間的要求都比較苛刻，同時(shí)還需要器件內部實(shí)現用于配置的各類(lèi)寄存器，以及完成邏輯校驗、地址譯碼等工作的寄存器。此外，還需加入FIFO、用戶(hù)寄存器組和后端設備接口等部分。設計這種PCI總線(xiàn)接口會(huì )導致將大量的人力、物力投入到復雜的邏輯驗證和時(shí)序分析的工作上，開(kāi)發(fā)周期較長(cháng)。采用專(zhuān)用接口器件雖然沒(méi)有采用可編程邏輯器件那么靈活，但能夠有效地降低接口設計的難度，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。專(zhuān)用接口器件具有較低的成本和很高的通用性，能夠優(yōu)化數據傳輸，提供配置空間，具備用于突發(fā)傳輸功能的片內FIFO，提供擴展局部總線(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，并且許多公司還提供配套的開(kāi)發(fā)工具，使用很方便，開(kāi)發(fā)周期短。 PCI9052是PLX公司開(kāi)發(fā)的低價(jià)格PCI總線(xiàn)從模式接口芯片，低功耗，符合PCI2.1規范，提供的局部總線(xiàn)(Local Bus)可通過(guò)編程設置為8/16/32位的(非)復用總線(xiàn)。PCI9052提供的局部總線(xiàn)不但可編程，而且與PCI總線(xiàn)的時(shí)鐘相互獨立運行，可實(shí)現異步操作，總線(xiàn)操作自動(dòng)實(shí)現時(shí)序同步。兩總線(xiàn)的異步運行方便了高、低速設備的兼容。

1 硬件設計

為了充分利用硬件的有用資源，該多功能適配卡不僅要實(shí)現與CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信，還具有A/D、D/A及I/O功能，實(shí)現對CAN通信和數據采集等功能。PCI9052有5個(gè)地址映射空間，要實(shí)現這些功能，通過(guò)PCI9052來(lái)連接是能夠滿(mǎn)足要求的。I/O采用IO映射空間，CAN、A/D和D/A采用Memory地址映射空間，也可都采用Memory方式，這些地址空間的配置是在EEPROM中進(jìn)行配置的。根據采樣精度要求，A/D芯片采用的是16位單通道并行通信的AD976芯片，轉換時(shí)間10us，為了實(shí)現多通道輸入，須在模擬輸入端加一多路開(kāi)關(guān)MAX308ESE。D/A芯片采用的是16位8通道芯片DAC7644E，轉換時(shí)間10us。CAN控制芯片采用PHLIPS的SJA1000，同時(shí)須接一CAN驅動(dòng)芯片82C250。另外，PCI9052需要一片EEPROM芯片用來(lái)存儲PCI9052的初始化配置參數?？膳cPCI9052匹配的芯片有Microchip Technology 1K 93AA46、93C46B、93LC46B，還有其他廠(chǎng)商的。在選擇EEPROM時(shí)一定可參考PCI9052的推薦說(shuō)明，這里采用的是1K的93LC46B。其原理結構如圖1：



2 軟件設計

軟件設計包括WDM驅動(dòng)程序、API接口函數和應用程序設計，這里主要介紹驅動(dòng)程序設計。對于WDM驅動(dòng)程序，要獲得正確的地址分配值，必須正確地設置配置參數，9052內部的配置寄存器是通過(guò)外部串行E2PROM上電加載的。9052會(huì )自動(dòng)根據該E2PROM的狀態(tài)來(lái)決定其內部寄存器的值。如果E2PROM不存在（此時(shí)E2PROM和9052連接的數據引腳應加上拉電阻或其內部無(wú)有效值，9052會(huì )將其內部寄存器配置為缺省值。值得一提的是，如果E2PROM內部沒(méi)有燒寫(xiě)為有效值時(shí)，應保證其開(kāi)始48位為全“1”；否則，系統上電時(shí)可能會(huì )產(chǎn)生錯誤。9052有5個(gè)本地空間，用戶(hù)可根據實(shí)際需要進(jìn)行相應的配置。當將本地空間配置成I/O時(shí)，對該空間的讀/寫(xiě)操作只能單次進(jìn)行。配置成存儲器空間，用戶(hù)會(huì )有多種接入模式，可大大提高接入速度。

該多功能設配卡驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)采用支持Windows2000的WDM驅動(dòng)程序。開(kāi)發(fā)工具采用Visual C++6.0、Win2000 DDK及DriverStudio2.7。采用DriverStudio向導工具生成驅動(dòng)程序框架和調試程序，在利用向導時(shí)需正確填寫(xiě)PCI Vendor ID和PCI Device ID，否則，在安裝驅動(dòng)程序時(shí)查找不到正確的硬件設備，導致無(wú)法安裝驅動(dòng)。

由于WDM驅動(dòng)程序運行在系統的內核態(tài)，編寫(xiě)非常復雜，在應用程序和硬件進(jìn)行數據交換中，可以采用幾種方式進(jìn)行通信：I/O控制方式、直接讀寫(xiě)方式、中斷方式和DMA方式。由于CAN總線(xiàn)的最高速率是1Mbps，所以我們采用IO控制操作實(shí)現數據的傳送，在驅動(dòng)程序派遣例程中實(shí)現這些操作，在A(yíng)PI函數中提供這些操作的接口，應用程序可使用標準Win32 API函數DeviceIoControl來(lái)數據讀寫(xiě)，也可以采用DriverStudio向導工具產(chǎn)生的DeviceControl來(lái)操作，在這里我們將它集成到對應的API函數里，生成相應的靜態(tài)庫或者動(dòng)態(tài)連接庫的形式提供給應用程序。

定義了7個(gè)IO控制代碼：
IOCTL_HIL100_READ_IO_DATA（用于讀I/O口數據）
IOCTL_HIL100_READ_AD_DATA（用于讀AD數據）
IOCTL_HIL100_READ_DA_DATA （用于讀DA數據）
IOCTL_HIL100_READ_CAN_DATA（用于讀CAN數據）
IOCTL_HIL100_WRITE_IO_DATA（用于寫(xiě)I/O口數據）
IOCTL_HIL100_WRITE_DA_DATA（用于寫(xiě)DA數據）
IOCTL_HIL100_WRITE_CAN_DATA（用于寫(xiě)CAN數據）

這些控制代碼在驅動(dòng)程序的DeviceControl(KIrp I)函數中調用，如下程序所示：

NTSTATUS PCIDriverDevice::DeviceControl(KIrp I)
{
NTSTATUS status;
switch (I.IoctlCode())
{
………………………………………
case IOCTL_HIL100_READ_IO_DATA:
status = IOCTL_HIL100_READ_IO_DATA _Handler(I);
case IOCTL_HIL100_WRITE_IO_DATA:
status = IOCTL_HIL100_WRITE_IO_DATA _Handler(I);
case IOCTL_HIL100_WRITE_DA_DATA:
status = IOCTL_HIL100_WRITE_DA_DATA _Handler(I);
case IOCTL_HIL100_READ_AD_DATA:
status = IOCTL_HIL100_READ_AD_DATA _Handler(I);
default:
status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
break;
}
………………………….
}

在該函數進(jìn)行驅動(dòng)中相應的數據處理與傳遞，包括從內存中讀上層應用程序發(fā)送下來(lái)的數據或將AD、CAN等外設傳遞上來(lái)的數據送到上層應用程序。

API函數主要提供了PCI卡的開(kāi)關(guān)，A/D、D/A、I/O的讀寫(xiě)函數，CAN的設置、讀寫(xiě)，中斷事件消息函數等。API函數與以上控制代碼相關(guān)聯(lián)，傳遞數據和控制參數。如下程序所示：

bool WriteDataToIO(unsigned char data)//寫(xiě)數據到IO口
{
……
ULONG BytesReturned;
if (!DeviceIoControl(hHIL100, IOCTL_HIL100_WRITE_IO_DATA, &data, 1,
NULL, 0, &BytesReturned, NULL))
……
}
bool ReadDataFromIO(unsigned char *data) //從IO口讀數據
{
……
ULONG BytesReturned;
if (!DeviceIoControl(hHIL100, IOCTL_HIL100_READ_IO_DATA, &data, 1,
data, 1, &BytesReturned, NULL))
……
}
bool WriteDataToDA(unsigned short control,unsigned short freq[4])//寫(xiě)數據到AD
{
……
ULONG BytesReturned;
unsigned short pData[16];
pData[0]=control;
pData[1]=freq[0];
pData[2]=freq[1];
pData[3]=freq[2];
pData[4]=freq[3];
if (!DeviceIoControl(hHIL100, IOCTL_HIL100_WRITE_DA_DATA, pData, 10,
NULL, 0, &BytesReturned, NULL))
……
}
bool ReadDataFromAD(unsigned short address[8],unsigned short data[8])
{ //從AD讀數據
……
ULONG BytesReturned;
if (!DeviceIoControl(hHIL100, IOCTL_HIL100_READ_AD_DATA,address,16,
&data,16, &BytesReturned, NULL))
……
}
bool ReadDataFromDA (unsigned char address,unsigned short *data)//從DA讀數據
{
……
ULONG BytesReturned;
if (!DeviceIoControl(hHIL100, IOCTL_HIL100_READ_DA1_DATA,&address,1,
data, 2, &BytesReturned, NULL))
……
}

將這些接口函數生成動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式，供上層應用程序調用。

3 結束語(yǔ)

由于PCI總線(xiàn)的高速特性，使其被廣泛應用于高速數據采集系統和數據傳輸通信系統中，有效地解決了實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸和實(shí)時(shí)存儲等問(wèn)題。而PCI總線(xiàn)控制器專(zhuān)用芯片的出現則縮短了PCI總線(xiàn)硬件設備的開(kāi)發(fā)周期，使得硬件設備的可靠性和穩定性都有了較大的提高。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，尤其對于高速采樣及實(shí)時(shí)嚴格的系統，我們實(shí)現了對該系統高效率的操作特性，該研究有效的解決了高速實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸和實(shí)時(shí)存儲等的驅動(dòng)問(wèn)題。同時(shí)該PCI多功能CAN適配卡既實(shí)現了CAN總線(xiàn)通信功能，同時(shí)也實(shí)現了多路通道的數據采集和相應控制。