基于Linux的PC104總線(xiàn)與CAN總線(xiàn)通信設計

　1 引 言

　　PC104嵌入式工業(yè)計算機由于其小尺寸結構、堆棧式連接、輕松總線(xiàn)驅動(dòng)的特點(diǎn)得到了廣泛的應用?，F場(chǎng)總線(xiàn)領(lǐng)域中，CAN總線(xiàn)得到了計算機芯片商的廣泛支持，他們紛紛推出直接帶有CAN接口的微處理器(MCU)芯片。帶有CAN的MCU芯片總量已經(jīng)達到1億3 000萬(wàn)片，因此在接口芯片技術(shù)方面，CAN已經(jīng)遙遙領(lǐng)先于FF，PRO-FIBUS，LONWORKS等其他所有現場(chǎng)總線(xiàn)。但是PC104總線(xiàn)不能與CAN總線(xiàn)直接通信，因此在CAN總線(xiàn)控制系統中難以運用。

　　針對以上問(wèn)題，以AVR單片機為協(xié)處理器設計了PC104總線(xiàn)與CAN總線(xiàn)的轉換卡并且考慮到PC104嵌入式工業(yè)計算機上通常運行Linux操作系統的特點(diǎn)，編寫(xiě)了轉換卡Linux下PC104總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)雙口RAM的驅動(dòng)程序。該轉換卡運用在工業(yè)控制系統中，實(shí)際表明可以穩定可靠地運行。

　　2 硬件部分

　　PC104到CAN總線(xiàn)轉換卡的硬件系統框圖如圖1所示。在PC104總線(xiàn)與CAN總線(xiàn)的通信中，要考慮的主要問(wèn)題是PC104總線(xiàn)與CAN總線(xiàn)數據同步問(wèn)題。PC104總線(xiàn)與CAN總線(xiàn)的總線(xiàn)速度存在很大差異，針對這樣的問(wèn)題通常采用的方法是使用雙端口RAM或FIFO作為緩沖器，這里使用雙端口RAM作為數據緩沖，同時(shí)在雙端口RAM中預留幾個(gè)字節作為ATmega64處理器與PC104嵌入式計算機的軟握手信號，通過(guò)以上方法完成PC104總線(xiàn)與CAN總線(xiàn)的數據同步。EPM7128為Altera的CPLD，這里使用CPLD主要用于PC104到CAN總線(xiàn)轉換卡的地址譯碼。CAN總線(xiàn)通信選用SJA1000 CAN總線(xiàn)控制器實(shí)現，為了適應工業(yè)現場(chǎng)惡劣的電磁環(huán)境，在SJA1000與PC82C250中經(jīng)過(guò)了光隔處理。

　　2.1 PC104總線(xiàn)與IDT7134接口電路

　　PC104總線(xiàn)與IDT7134接口電路圖如圖2所示。

　　PC104嵌入式計算機為了讀取雙端口RAM IDT7134的數據。首先將IDT7134映射到PC104嵌入式計算機的存儲器空間，使用SMEMR*、SMEMW*作為IDT7134的OER，R/W控制信號。另外利用CPLD EPM7128將PC104總線(xiàn)的高3位地址SA19、SA18、SA17譯碼作為IDT7134的片選信號。

　　2.2 ATmega64與IDT7134接口電路

　　處理器ATmega64采用的是地址線(xiàn)、數據線(xiàn)分時(shí)復用技術(shù)，因此需要進(jìn)行地址鎖存。EPM7128內使用VHDL硬件描述語(yǔ)言設計了該地址鎖存器。ATmega64與IDT7134接口電路如圖3所示。

　　2.3 CPLD EPM7128內部邏輯

　　CPLD EPM7128在整個(gè)設計中主要完成譯碼，與地址鎖存的功能。在QuartusⅡ6.0環(huán)境下，通過(guò)VHDL硬件描述語(yǔ)言，完成上述功能。其程序源碼如下：

　　在上面的VHDL代碼中CSSJA1000為SJA1000片選信號，CS7134L為IDT7134左端口片選，CS7134R為IDT7134右端口片選。

　　3 軟件部分

　　要實(shí)現PC104總線(xiàn)與CAN總線(xiàn)的數據通信，在上面的硬件設計中已經(jīng)提到采用的是雙端口 RAM作為數據緩沖的方法，其中涉及在雙端口RAM中開(kāi)辟數據區作為PC104嵌入式PC機與ATmega64的軟握手標志。握手過(guò)程要在PC104嵌入式PC機與ATmega64的軟件程序中實(shí)現，其過(guò)程如下：首先在雙端口RAM中開(kāi)辟兩個(gè)緩沖區，分別用來(lái)緩沖CAN總線(xiàn)的收發(fā)數據。當PC104總線(xiàn)有數據發(fā)到CAN總線(xiàn)上時(shí)，先將數據寫(xiě)到雙端口RAM的CAN數據發(fā)送緩沖區，然后向雙端口RAM預留的標志字段寫(xiě)入特定值，通告ATmega64有數據要通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送，ATmega64采用查詢(xún)的方式檢測這個(gè)標志字段，當檢測到標志字段的特定值時(shí)，就讀取雙端口RAM的CAN數據發(fā)送緩沖區，同時(shí)將讀到的數據發(fā)到CAN總線(xiàn)上。上述過(guò)程后，ATmega64程序將標志字段復位。至此完成了PC104總線(xiàn)對CAN總線(xiàn)的數據發(fā)送。CAN總線(xiàn)對PC104總線(xiàn)的數據發(fā)送與此過(guò)程相反。

　　3.1 ATmaga64處理器程序

　　ATmaga64處理器對CAN總線(xiàn)進(jìn)行底層的讀寫(xiě)工作，同時(shí)將數據寫(xiě)到雙端口RAM IDT7134 中，并將IDT7134中的首存儲字節設為標志位，通知PC104嵌入式PC機有數據被更新，要求PC104嵌入式PC機對IDT7134進(jìn)行讀操作?；谝陨系倪^(guò)程ATmaga64處理器程序包括對SJA1000初始化程序、SJA1000中斷處理程序以及訪(fǎng)問(wèn)IDT7134的程序。

　　3.2 PC104總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)雙口RAM的Linux驅動(dòng)程序

　　Linux驅動(dòng)從結構上分為3個(gè)部分：

　　(1)設備的配置和初始化，包括檢查設備的存在、狀態(tài)，設備的注冊及相關(guān)設備驅動(dòng)程序的初始化。一般這部分程序僅在初始化時(shí)調用一次，他包含在init_module()例程中。

　　(2)I/O請求服務(wù)程序主要通過(guò)系統調用，完成用戶(hù)的請求功能，如Read，Write等，設備的大多數操作都由I/O請求服務(wù)完成，主要包括Read，Write，Ioct1等例程。

　　(3)中斷服務(wù)子程序，由系統接收所有硬件中斷，然后調用相應的中斷服務(wù)子程序。

　　在Linux系統里，設備驅動(dòng)以文件的方式出現，因此設備驅動(dòng)的接口就是一個(gè)文件系統的接口，該接口由一個(gè)數據結構struct file_operations{}來(lái)定義，該數據結構是整個(gè)虛擬文件系統的標準接口。因此首先定義了PC104總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)雙口RAM驅動(dòng)程序文件系統的數據結構。

　　對于PC104內存段Linux內核在啟動(dòng)時(shí)就建立了訪(fǎng)問(wèn)這些地址的頁(yè)表，訪(fǎng)問(wèn)他們的虛擬地址與實(shí)際物理地址不同，因此需要使用ioremap將物理地址映射到虛擬地址，才能夠對PC104總線(xiàn)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，來(lái)讀取雙口RAM數據。ioremap函數定義為：

　　Void*ioremap(unsigned long phy_addr，unsigned longsize)

　　參數phys_addr為物理地址，size為物理地址的長(cháng)度。ioremap函數的返回值是一個(gè)特殊的虛擬地址，可以用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)指定的物理內存區域，這個(gè)虛擬地址最后要調用iounmap來(lái)釋放掉。以下將詳細介紹Linux驅動(dòng)程序的各個(gè)函數的具體實(shí)現。

　　3.2.1 初始化函數與卸載函數實(shí)現

　　設備的配置和初始化函數init_module()中分別調用：

　　register_chrdev()：進(jìn)行設備注冊;

　　request_irq()：請求中斷通道;

　　request_mem_region()：分配I/O內存區域;

　　ioremap()：物理地址映射到虛擬地址。

　　程序源代碼如下：

　　這就完成了設備驅動(dòng)的初始化。設備驅動(dòng)的卸載部分與初始化程序相反，卸載是回收分配給設備驅動(dòng)程序的各種資源。cleanup_module()中分別調用：

　　iounmap()：釋放虛址;

　　release_mem_region()：釋放內存區域;

　　free_irq()：釋放中斷通道。

　　程序源代碼如下：

　　3.2.2 讀函數實(shí)現

　　讀函數定義了對雙口RAM的讀取過(guò)程，源代碼如下：

　　其中copy_to_user將內核函數將虛擬地址pPxp-VirtStartAddr上的count個(gè)數據拷貝到buf指針指向的用戶(hù)空間上。之前設備的配置和初始化函數ink_module()中的ioremap()函數已經(jīng)將雙口RAM物理地址映射到虛擬地址pPxpVirtStartAddr上，因此可以通過(guò)pxp_read()函數讀取雙口RAM。

　　3.2.3 寫(xiě)函數實(shí)現

　　寫(xiě)雙口RAM時(shí)調用pxp201_write()函數，其原理與讀雙口RAM相似，只是pxp201_write()函數中調用了copy_from_user()內核函數。

　　3.2.4 open函數與release函數實(shí)現

　　pxp_open()函數的實(shí)現如下，其中使用MOD_INC_USE_COUNT遞增設備的引用計數。

　　pxp201_release()函數與pxp_open()過(guò)程相反，使用MOD_DEC_USE_COUNT遞減設備的引用計數。

　　自此Linux下，雙口RAM的驅動(dòng)模塊就完成了，可以利用Insmod工具將驅動(dòng)程序模塊裝入內核。這樣就可以在PC104嵌入式工業(yè)計算機的Linux操作系統下訪(fǎng)問(wèn)雙端口RAM了。

　　4 結 語(yǔ)

　　本文介紹了PC104總線(xiàn)與CAN總線(xiàn)通信的硬件實(shí)現，并且在PC104嵌入式計算機的Linux操作系統下開(kāi)發(fā)了PC104總線(xiàn)對雙端口RAM IDT7134訪(fǎng)問(wèn)的驅動(dòng)程序。在IDT7134內開(kāi)辟標志區，利用軟握手的方法實(shí)現了PC104總線(xiàn)與CAN總線(xiàn)的數據通信。該轉換卡運用在工業(yè)控制系統中經(jīng)過(guò)實(shí)際測試表明可以穩定可靠地運行。

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