關于PCI9052在多功能CAN適配卡中的應用研究

0 概述

PCI總線是一種獨立于CPU的局部總線，實現PCI接口的方案一般有兩種：采用可編程邏輯器件和專用總線接口器件。采用可編程邏輯器件實現PCI接口的好處是比較靈活，但其設計難度很高，因為PCI總線對負載要求、傳輸數據的建立時間的要求都比較苛刻，同時還需要器件內部實現用于配置的各類寄存器，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、用戶寄存器組和后端設備接口等部分。設計這種PCI總線接口會導致將大量的人力、物力投入到復雜的邏輯驗證和時序分析的工作上，開發周期較長。采用專用接口器件雖然沒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，縮短開發時間。專用接口器件具有較低的成本和很高的通用性，能夠優化數據傳輸，提供配置空間，具備用于突發傳輸功能的片內FIFO，提供擴展局部總線等優點，并且許多公司還提供配套的開發工具，使用很方便，開發周期短。 PCI9052是PLX公司開發的低價格PCI總線從模式接口芯片，低功耗，符合PCI2.1規范，提供的局部總線(Local Bus)可通過編程設置為8/16/32位的(非)復用總線。PCI9052提供的局部總線不但可編程，而且與PCI總線的時鐘相互獨立運行，可實現異步操作，總線操作自動實現時序同步。兩總線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現與CAN總線進行通信，還具有A/D、D/A及I/O功能，實現對CAN通信和數據采集等功能。PCI9052有5個地址映射空間，要實現這些功能，通過PCI9052來連接是能夠滿足要求的。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，轉換時間10us，為了實現多通道輸入，須在模擬輸入端加一多路開關MAX308ESE。D/A芯片采用的是16位8通道芯片DAC7644E，轉換時間10us。CAN控制芯片采用PHLIPS的SJA1000，同時須接一CAN驅動芯片82C250。另外，PCI9052需要一片EEPROM芯片用來存儲PCI9052的初始化配置參數。可與PCI9052匹配的芯片有Microchip Technology 1K 93AA46、93C46B、93LC46B，還有其他廠商的。在選擇EEPROM時一定可參考PCI9052的推薦說明，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驅動程序、API接口函數和應用程序設計，這里主要介紹驅動程序設計。對于WDM驅動程序，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外部串行E2PROM上電加載的。9052會自動根據該E2PROM的狀態來決定其內部寄存器的值。如果E2PROM不存在（此時E2PROM和9052連接的數據引腳應加上拉電阻或其內部無有效值，9052會將其內部寄存器配置為缺省值。值得一提的是，如果E2PROM內部沒有燒寫為有效值時，應保證其開始48位為全“1”；否則，系統上電時可能會產生錯誤。9052有5個本地空間，用戶可根據實際需要進行相應的配置。當將本地空間配置成I/O時，對該空間的讀/寫操作只能單次進行。配置成存儲器空間，用戶會有多種接入模式，可大大提高接入速度。

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

由于WDM驅動程序運行在系統的內核態，編寫非常復雜，在應用程序和硬件進行數據交換中，可以采用幾種方式進行通信：I/O控制方式、直接讀寫方式、中斷方式和DMA方式。由于CAN總線的最高速率是1Mbps，所以我們采用IO控制操作實現數據的傳送，在驅動程序派遣例程中實現這些操作，在API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來數據讀寫，也可以采用DriverStudio向導工具產生的DeviceControl來操作，在這里我們將它集成到對應的API函數里，生成相應的靜態庫或者動態連接庫的形式提供給應用程序。

定義了7個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I/O口數據）
IOCTL_HIL100_WRITE_DA_DATA（用于寫DA數據）
IOCTL_HIL100_WRITE_CAN_DATA（用于寫CAN數據）

這些控制代碼在驅動程序的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;
?}
?………………………….
?}

在該函數進行驅動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送下來的數據或將AD、CAN等外設傳遞上來的數據送到上層應用程序。

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

bool WriteDataToIO(unsigned char data)//寫數據到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態鏈接庫的形式，供上層應用程序調用。

3?? 結束語

由于PCI總線的高速特性，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，有效地解決了實時采集、實時傳輸和實時存儲等問題。而PCI總線控制器專用芯片的出現則縮短了PCI總線硬件設備的開發周期，使得硬件設備的可靠性和穩定性都有了較大的提高。在開發過程中，尤其對于高速采樣及實時嚴格的系統，我們實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時采集、實時傳輸和實時存儲等的驅動問題。同時該PCI多功能CAN適配卡既實現了CAN總線通信功能，同時也實現了多路通道的數據采集和相應控制。

本文的創新觀點

1) 本文將API函數與控制代碼建立起關聯

2) 本文將應用程序集成到對應的API函數里