專利名稱：一種控制器局域網(wǎng)總線智能適配卡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，簡稱CAN)總線適配卡，特別是涉及一種基于PC104系統(tǒng)的CAN總線智能適配卡。
背景技術(shù)：
CAN總線是一種多主機(jī)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式。由于其極高的可靠性、獨特靈活的設(shè)計和低廉的價格，已被廣泛應(yīng)用到自動化控制系統(tǒng)中，特別是在現(xiàn)場的智能儀器儀表、控制器、執(zhí)行器等底層設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信方面發(fā)揮著巨大的作用。例如，CAN總線控制已成功地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)、儲糧水分控制系統(tǒng)、畜舍監(jiān)視系統(tǒng)、溫度壓力等非電量測量、環(huán)境檢測等農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的廣闊領(lǐng)域。
PC104系統(tǒng)是一種新型的嵌入式PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，這種PC機(jī)有兩個總線插頭P1和P2，其中P1有64腳，P2有40腳，共104腳。它可以在體積和功耗要求苛刻的場合完全實現(xiàn)普通PC機(jī)的功能，同時在軟件和硬件上與標(biāo)準(zhǔn)臺式PC機(jī)體系結(jié)構(gòu)幾乎完全兼容。該P(yáng)C104系統(tǒng)具有尺寸小(標(biāo)準(zhǔn)尺寸為90mm×96mm)、自堆總線結(jié)構(gòu)(取消了底版和插槽)及總線驅(qū)動電流小的特點，因此適合應(yīng)用于高密度、小體積、便攜式的測控設(shè)備。
結(jié)合PC104系統(tǒng)和CAN總線兩者的優(yōu)點，人們設(shè)計出基于PC104系統(tǒng)的CAN總線適配卡。廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的PC104-CAN單路非智能CAN接口卡是使用系統(tǒng)內(nèi)存地址映射空間方式控制板卡。由于PC104主板的部分內(nèi)存地址空間可能已經(jīng)被主板或其他設(shè)備占用，因而不能保證能夠獲得足夠的系統(tǒng)內(nèi)存資源以供硬件接口卡使用，因此PC104-CAN單路非智能CAN接口卡在部分計算機(jī)(包括所使用的操作系統(tǒng))上不能正常使用，硬件板卡及其驅(qū)動程序不能保證完全兼容不同的計算機(jī)。而且該P(yáng)C104-CAN接口卡采用串行通信方式，數(shù)據(jù)傳輸速率比較低。由于CAN總線多用于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，要求數(shù)據(jù)傳輸速率比較高。因此，就需要一種工作高效、節(jié)省系統(tǒng)資源的CAN總線適配卡。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種基于PC104總線的數(shù)據(jù)傳輸速率高、兼容性強(qiáng)、接口簡單、工作高效的CAN總線智能適配卡。本適配卡可用于系統(tǒng)總體架構(gòu)以PC104嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)為核心，配合基于CAN總線的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，完成信息的采集、處理、可靠傳輸。
為了達(dá)到上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案該適配卡包括一CAN總線接口，用于連接CAN網(wǎng)絡(luò)；一與采集設(shè)備接口電連接的CAN總線收發(fā)器，用于接收和發(fā)送CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)；一與CAN總線收發(fā)器電連接的CAN總線控制器，用于對數(shù)據(jù)處理后傳給CAN收發(fā)器，以及接收、處理來自CAN總線收發(fā)器的數(shù)據(jù)并輸出；一PC104總線插槽，用于接PC104系統(tǒng)的主板；一與CAN總線控制器電連接的微處理器，用于對CAN總線的狀態(tài)控制和維護(hù)。
該適配卡還包括與微處理器相連接的并行接口電路和一地址選擇電路，，用于采用并行通信方式傳輸數(shù)據(jù)；所述并行接口電路與所述PC104總線插槽電連接；所述地址選擇電路由PC104總線地址的最低二位和一個比較器組成，用于對并行接口電路的讀寫操作控制。
該適配卡還包括連接在CAN總線收發(fā)器和CAN總線控制器之間的至少兩個高速光耦，用于光電隔離，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。
該適配卡還包括所述高速光耦的電源模塊。
本實用新型的有益效果是1.兼容性強(qiáng)。適配卡與PC104總線的連接不占用主板內(nèi)存地址空間，它只占用需4個空閑的I/O端口地址即可，因而不會出現(xiàn)不能夠獲得足夠的系統(tǒng)資源以供硬件接口卡使用的問題。
2.數(shù)據(jù)傳輸速率高。該適配卡采用并行通信方式解決了串行接口傳輸速率較低不能滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)通信的實時性要求的缺點。
3.智能化。板卡上利用低功耗的單片機(jī)來智能地完成CAN數(shù)據(jù)包的收發(fā)，這樣不但可以減少模塊的體積和功耗，而且使得模塊接口簡單、工作高效，從而使PC104主機(jī)擺脫對CAN總線的狀態(tài)控制和維護(hù)工作，只管接收、發(fā)送數(shù)據(jù)即可，所有的維護(hù)工作由單片機(jī)完成，這樣可以使PC104主機(jī)有更多的CPU資源進(jìn)行復(fù)雜的控制算法和更多的人機(jī)交換工作。


圖1PC104-CAN總線智能適配卡系統(tǒng)框圖；圖2本實用新型具體實施例的工作原理圖；圖3本實用新型具體實施例的CAN控制器部分的原理圖；圖4本實用新型具體實施例的主控電路框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
如圖1所示，該適配卡包括CAN總線接口，用于連接CAN網(wǎng)絡(luò)；與采集設(shè)備接口電連接的CAN總線收發(fā)器，采用82C250芯片，用于接收和發(fā)送CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)；與CAN總線收發(fā)器82C250芯片電連接的CAN總線控制器，采用Philips公司的SJA1000芯片，并輔以該公司PCA82C250芯片為收發(fā)接口驅(qū)動器，用于將微處理器發(fā)出的數(shù)據(jù)處理后傳給CAN收發(fā)器，以及接收、處理來自收發(fā)器的數(shù)據(jù)并傳給微處理器；與CAN總線控制器SJA1000芯片電連接的微處理器，采用單片機(jī)80C51芯片，用于對CAN總線的狀態(tài)控制和維護(hù)；與微處理器80C51芯片電連接的并行接口電路，采用8255A芯片，用于采用并行通信方式傳輸數(shù)據(jù)；與并行接口電路8255A芯片電連接的PC104總線插槽，用于接PC104系統(tǒng)的主板；與微處理器和并行接口電路相連接的地址選擇電路，由PC104總線地址的最低二位SA0、SA1和8位比較器74LS688組成，用于對并行接口電路8255A芯片的讀寫操作控制。
還包括連接在CAN總線收發(fā)器82C250芯片和CAN總線控制器SJA1000芯片之間的至少兩個光耦，采用6N137芯片，用于光電隔離，增強(qiáng)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性；還包括給兩個光耦供電的光耦電源模塊，采用B05058芯片。
下面對每一部分進(jìn)行具體介紹1)適配卡與PC104總線的硬件接口在地址選擇上，PC104總線具有訪問64K個I/O端口的能力，但實際只用了1K個端口地址(0000H-03FFH)，其中前256個字節(jié)(0000H-00FFH)分配給PC104系統(tǒng)主板上的I/O接口芯片，其余的768個字節(jié)(0100H-03FFH)分配給擴(kuò)充卡。而對于8255A芯片，只需4個I/O端口地址即可滿足需要，它們分別用作對端口A、端口B和端口C的數(shù)據(jù)傳輸以及對方式選擇控制字的操作。如圖2所示，PC104總線地址的最低二位SA0和SA1可分別接至8255A芯片的A0口和A1口，由于8255A只有四個寄存器，所以只需用到A0，A1兩根地址線來選擇，高位地址只是通過一個比較器后用來選通8255A的片選信號，所以只要是主板沒用到的I/O地址都可以使用。查詢PC104的I/O端口地址分配表，本實用新型選用地址空間280H-283H對8255A的I/O端口操作。當(dāng)PC104總線上送出的地址信號為280H-283H之一時，地址比較器送出選通信號至8255A芯片作為其片選信號，PC104即可對8255A芯片進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作。
2)并行通信方式的實現(xiàn)如圖2所示，采用可編程并行接口8255A芯片來解決傳輸方式及速率問題。8255A芯片的主要作用是采用并行通信方式與PC104總線直接進(jìn)行I/O口讀寫。由于CAN總線多用于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，要求數(shù)據(jù)傳輸速率比較高，最高能達(dá)到1MbPs，而串行通信方式的數(shù)據(jù)傳輸速率比較低，其標(biāo)準(zhǔn)波特率系列中最高也只能達(dá)到19200bPs。因此串行接口將成為傳送數(shù)據(jù)的瓶頸，不能滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)通信的實時性要求?；谏鲜隹紤]，該適配卡采用并行通信方式。8255A芯片有3種基本的工作方式，這里選用方式2，即雙向傳輸方式。雙向方式只適用于端口A(PA口)。PA口在同單片機(jī)80C51芯片的P1口電連接，以便在8255A芯片和單片機(jī)80C51芯片之間傳送數(shù)據(jù)。8255A芯片的端口C則自動配合端口A提供相應(yīng)的控制信號，以配合單片機(jī)80C51芯片對8255A芯片的讀寫操作。所選用的控制信號如圖2示，8255A芯片的數(shù)據(jù)總線(DBUS)與PC104總線的數(shù)據(jù)線相連，在方式2下8255A芯片的8位數(shù)據(jù)總線既可以向PC104總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以從PC104總線上接收數(shù)據(jù)。當(dāng)PC104系統(tǒng)機(jī)要給單片機(jī)80C51芯片傳送數(shù)據(jù)時，首先在PC104總線上通過軟件訪問地址為282H的端口，此時程序指向8255A的狀態(tài)口，讀取8255A芯片端口C各位的狀態(tài)，判斷其中IBF位是否有效，即8255A芯片的輸入鎖存器中是否有數(shù)據(jù)尚未取走。若有效，則延遲操作；反之則通過軟件向地址為282H的端口寫入數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送給8255A芯片的端口A。此時輸出緩沖器滿，8255A芯片送出OBF信號至單片機(jī)80C51芯片的INTO引腳，通知單片機(jī)80C51芯片將數(shù)據(jù)取走。單片機(jī)80C51芯片響應(yīng)中斷后，送出ACK信號給8255A芯片，使8255A芯片的輸出緩沖器開啟，送出數(shù)據(jù)。然后單片機(jī)80C51芯片即可將所讀到的數(shù)據(jù)通過CAN總線控制器SJA1000芯片和收發(fā)器82C250芯片傳輸。當(dāng)數(shù)據(jù)要傳輸?shù)絇C104系統(tǒng)機(jī)時，單片機(jī)80C51芯片從CAN總線控制器SJA1000芯片和收發(fā)器82C250芯片接收數(shù)據(jù)，并判斷8255A芯片的IBF是否為有效，即8255A芯片的輸入鎖存器是否已滿。若滿，則單片機(jī)80C51芯片調(diào)用延時程序延遲操作；反之則將數(shù)據(jù)傳送至8255A芯片的端口A，同時發(fā)送STB選通信號，將數(shù)據(jù)送入8255A芯片的輸入鎖存器。PC104系統(tǒng)機(jī)則查詢8255A芯片端口C中IBF控制端的狀態(tài)。當(dāng)IBF變?yōu)橛行r，表示已有數(shù)據(jù)到來，PC104系統(tǒng)機(jī)轉(zhuǎn)入對I/O端口280H的讀寫操作，將8255A芯片輸入鎖存器中的數(shù)據(jù)取走，并放入應(yīng)用程序中進(jìn)行處理。
3)CAN控制器部分這部分由CAN控制器SJA1000芯片和CAN收發(fā)器82C250芯片以及至少兩個高速光耦6N137芯片組成，如圖3所示。單片機(jī)80C51芯片負(fù)責(zé)將PC104總線送過來的數(shù)據(jù)送向CAN控制器，并經(jīng)由CAN控制器、光耦以及CAN收發(fā)器將數(shù)據(jù)發(fā)往CAN總線。為了增加系統(tǒng)抗干擾能力，在SJA1000芯片和CAN總線收發(fā)器82C250之間使用了2個高速光電隔離器件6N137芯片進(jìn)行隔離，隔離部分由DC/DC進(jìn)行供電。單片機(jī)80C51程序設(shè)計是整個模塊智能化工作的關(guān)鍵，單片機(jī)80C51負(fù)責(zé)與8255A芯片以及CAN控制器SJA1000芯片之間進(jìn)行通信。智能化的目的是使PC104主機(jī)擺脫對CAN總線的狀態(tài)控制和維護(hù)工作，只管接收、發(fā)送數(shù)據(jù)即可，所有的維護(hù)工作由單片機(jī)完成。這樣可以使主機(jī)有更多的CPU資源進(jìn)行復(fù)雜的控制算法和更多的人機(jī)交換工作，4)通訊卡設(shè)備驅(qū)動VxD及上位PC104嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)模塊的設(shè)計主要包括PC104系統(tǒng)機(jī)端的應(yīng)用程序接口函數(shù)，負(fù)責(zé)完成PC104系統(tǒng)機(jī)端與8255A之間的通信，可以用可視化的編程工具，如Visual Basic6.0編寫。PC104系統(tǒng)機(jī)端軟件主要包括向適配卡上的8255A發(fā)送控制命令、數(shù)據(jù)命令和請求數(shù)據(jù)命令，還將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，如數(shù)據(jù)顯示。在Windows98下，必須通過編寫運(yùn)行在內(nèi)核模式(ring-0級)下的虛擬設(shè)備驅(qū)動程序VxD(Virtual device driver)來訪問底層硬件，實現(xiàn)對硬件中斷、DMA、I/O或者是絕對存儲訪問等。各硬件設(shè)備都有相應(yīng)的虛擬設(shè)備驅(qū)動程序vxD。本智能適配卡的硬件電路設(shè)計原理要求上位機(jī)PC104的CPU和適配卡之間的數(shù)據(jù)信息交換，通過PC104主機(jī)的擴(kuò)展I/O端口，采用查詢的方式進(jìn)行，即先查詢適配卡的運(yùn)行狀態(tài)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換和命令信息傳輸。為了方便使用者使用，上述對VxD服務(wù)的調(diào)用封裝成DLL，使VxD對使用者透明。DLL為使用者提供了允許端口控制函數(shù)，關(guān)閉端口控制函數(shù)及讀取端口函數(shù)，寫端口函數(shù)，使得配置和集成應(yīng)用很方便。本例中用到的函數(shù)有四個，分別說明如下①Initialize()允許端口控制函數(shù)。在使用端口輸入輸出函數(shù)之前調(diào)用一次，成功返回“1”，失敗返回“0”。
②Shutdown()關(guān)閉端口控制函數(shù)。在退出程序時執(zhí)行一次，成功返回“1”，失敗返回“0”。
③GetPortVal(ByVal PortAddr As Integer，ByRef Portval As Long，ByValbSize As Byte)As Boolean讀取端口函數(shù)，PortAddr為端口地址，Portval為端口值，bSize為要讀取的字節(jié)數(shù)。讀取成功時返回“1”，失敗時返回“0”。
④SetPortVal(ByVal PortAddr As Integer，ByVal Portval As Long，ByValbSize As Byte)As Boolean寫端口函數(shù)。PortAddr為端口地址，Portval為要寫的值，bSize為要寫入的字節(jié)數(shù)。寫入成功返回“1”，失敗返回“0”。在應(yīng)用程序中使用時只需把.dll以及.vxd文件拷貝到工作目錄下，并在VB模塊文件中聲明用到的函數(shù)即可。
5)主控電路如圖4所示，接收過程CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)經(jīng)CAN總線接口進(jìn)入CAN總線收發(fā)器82C250芯片接收，之后進(jìn)入CAN控制器SJA1000芯片的接收緩沖區(qū)并進(jìn)一步存入單片機(jī)80C51芯片的內(nèi)部RAM，最后通過8255A芯片的并行通信方式與PC104總線直接進(jìn)行I/O口讀寫，傳到上位機(jī)PC104系統(tǒng)機(jī)后進(jìn)行數(shù)據(jù)的后處理；發(fā)送過程上位機(jī)PC104系統(tǒng)機(jī)的數(shù)據(jù)經(jīng)過8255A芯片的并行通信方式經(jīng)由PC104總線發(fā)送至單片機(jī)80C51芯片內(nèi)部RAM，之后傳送至CAN控制器SJA1000芯片的發(fā)送緩沖區(qū)以CAN總線協(xié)議通過CAN總線收發(fā)器82C250發(fā)送至CAN總線網(wǎng)絡(luò)中。
權(quán)利要求1.一種控制器局域網(wǎng)總線智能適配卡，該適配卡包括一CAN總線接口，用于連接CAN網(wǎng)絡(luò)；一與采集設(shè)備接口電連接的CAN總線收發(fā)器，用于接收和發(fā)送CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)；一與CAN總線收發(fā)器電連接的CAN總線控制器，用于對數(shù)據(jù)處理后傳給CAN收發(fā)器，以及接收、處理來自CAN總線收發(fā)器的數(shù)據(jù)并輸出；一PC104總線插槽，用于接PC104系統(tǒng)的主板；其特征在于，還包括一與CAN總線控制器電連接的微處理器，用于對CAN總線的狀態(tài)控制和維護(hù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適配卡，其特征在于，還包括與微處理器相連接的并行接口電路和一地址選擇電路，用于采用并行通信方式傳輸數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所示的適配卡，其特征在于，所述并行接口電路與所述PC104總線插槽電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適配卡，其特征在于，還包括連接在CAN總線收發(fā)器和CAN總線控制器之間的至少兩個高速光耦，用于光電隔離，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適配卡，其特征在于，還包括所述高速光耦的電源模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適配卡，其特征在于，所述地址選擇電路由PC104總線地址的最低二位和一個8位比較器組成，用于所述并行接口電路的讀寫操作控制。
專利摘要本實用新型涉及一種基于PC104系統(tǒng)的控制器局域網(wǎng)(英文簡稱CAN)總線智能適配卡，旨在提供一種數(shù)據(jù)傳輸速率高、兼容性強(qiáng)、接口簡單、工作高效的CAN總線智能適配卡。該適配卡包括CAN總線接口、與采集設(shè)備接口電連接的CAN總線收發(fā)器、與CAN總線收發(fā)器電連接的CAN總線控制器、PC104總線插槽、高速光耦以及微處理器和并行接口電路。適配卡采用微處理器，使得PC104系統(tǒng)主機(jī)擺脫對CAN總線的狀態(tài)控制和維護(hù)工作，只管接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)省了系統(tǒng)資源；適配卡采用并行通信方式，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。
文檔編號H04L12/02GK2779738SQ20052000215
公開日2006年5月10日 申請日期2005年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月7日
發(fā)明者李民贊, 楊瑋, 劉卉 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)