基于PCI CAN的数据转换系统设计

CAN总线是当前最流行的工业现场总线之一，PCI则是一种应用普遍的高速同步总线，具有32 bit带宽，时钟频率为0～33 MHz，最大传输速率可达132 Mbit·s-1，广泛应用于数字图像、语音及数据实时采集与处理等领域。本文利用PCI9054接口芯片、FPGA、微处理器与CAN收发器实现CAN总线与PCI总线问的快速数据交换。

1 总体设计

PCI_CAN数据转换系统用于实现上位机的控制信息与CAN总线上各节点间的状态、数据信息交换功能。系统通过PCI接口芯片与FPGA将上位机发出的控制信息发送给微处理器，由微处理器控制CAN收发器对CAN总线各节点进行查询;同时CAN总线节点的状态、数据信息上传给CAN收发器，由微处理器控制将其送入FPGA中缓存，再由PCI接口芯片上传至上位机做进一步数据处理、存储操作。

PCI_CAN数据转换系统主要由PCI接口模块、FPGA逻辑模块、微处理器与CAN收发器模块及时钟电路4部分组成，其原理框图如图1所示。

PCI接口模块完成PCI总线与本地总线间的数据交换。FPGA完成对PCI接口芯片和微处理器的逻辑控制、总线仲裁等任务，且与微处理器之间通过SPI方式进行数据交换。由于CAN节点以“帧”为单位上传数据，系统使用FPGA内嵌的内存块生成FIFO，进行数据缓存;同时上位机的控制信号只有一个长字，无需FIFO缓存。微处理器与CAN收发器模块接收来自上位机的控制信号，实现对各CAN节点的查询、监视功能;同时控制CAN收发器，将CAN节点上传的数据打包、发送至FPGA。时钟电路由40 MHz和25 MHz军品级晶振组成，提供PCI接口电路局部总线工作时钟、FPGA主时钟、微处理器工作时钟。

2 模块设计

2.1 PCI接口模块设计

PCI9054是美国PIX公司生产的PCI桥接芯片，符合PCI总线规范，支持主模式、从模式及DMA传输方式，广泛应用于嵌入式系统中。

PCI9054在本模块中的连接框图如图2所示，其中PCI总线信号与PCI连接器相连，包括地址/数据复用信号AD[31：0]，总线命令信号C/BE[3：0]，PCI协议控制信号PAR、FRA ME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、PERR#、SERR#、IDSEL;EEPR()M接口信号直接与配置芯片连接，包括EESK、EEDO/EEDI、EECS;本地总线信号与FPGA相连，包括地址总线LA[13：2]，数据总线LD[31：0]，LBE[3：0]#字节使能信号及控制信号LW/R#、BLAST#、READY#、ADS#。

设置PCI9054芯片的MODE[1：0]管脚，选择工作模式为C模式;配置PCI9054相关寄存器，设置数据传输方式为DMA和PCI从设备方式协同操作。DMA传输是在PCI9054控制下，完成PCI端存储器和LOCAL端存储器间的大数据量传输。

本文选用串行EEPROM芯片93CS56L。在系统复位后，完成对PCI内部寄存器的初始化配置，包括设备标识、状态寄存器、控制寄存器、中断寄存器、本地总线上设备的地址、空间等信息。由于需要对串行EEPROM进行写操作，芯片须处于可编程且非保护状态，如图3所示。

2.2 FPGA逻辑模块设计

FPGA芯片选用Altera公司的Cyclone IV系列工业级芯片。EP4CE10E22I7，该芯片用户可用管脚为92个，逻辑单元大小为10 320 bit，分布式RAM总容量144 kbit，嵌入式块状存储器SRAM容量270kbit，可满足设计需求;采用Verilog HDL语言进行逻辑设计，FPGA逻辑功能框图如图4所示。

上位机需查询CAN节点状态、数据信息时，PCI9054数据传输方式为PCI从设备。PCI总线主设备，即上位机，访问PCI9054的本地空间，向内存空间写一个长字的控制数据。本地总线将该数据读出并发送至FPGA，通过微处理器对CAN总线某节点进行查询。

CAN总线节点的数据上传功能通过PCI9054的DMA模式实现。PCI9054集成了两个相互独立的DMA通道，每个通道都支持块DMA和分散/集中DMA传输。块DMA传输由上位机提供PCI总线和本地总线的起始地址、传输方向及传输字节数。在块DMA传输中，作为PCI总线和本地总线的主控设备，PCI9054使能本地总线的中断等待状态;FIFO半满信号HALF#有效时，FPGA拉低本地总线的LINT#信号，产生中断;PC响应中断，在中断处理子程序中调用DMA程序，发起DMA传输;传输完成时，PCI9054设定DMA“传输结束位”结束DMA操作。

SPI接口逻辑接收、处理来自微处理器的帧数据，产生FIFO写使能信号，并将去掉帧头后的有效数据存入FIFO;锁相环PLL用于产生FIFO写时钟与SPI接口逻辑主时钟。

系统设计一次DMA传输数据为100 Byte，因此使用FPGA的内嵌内存块生成FIFO。该FIFO深度为128 Byte，宽度为8 bit;且只缓存CAN节点的上传数据，而不存储上位机的查询控制数据。本地总线接口逻辑单元根据控制信号、地址信号及半满信号HALF#，产生FIFO读使能，将有效数据传输至PCI9054;其中本地总线端时钟信号LCLK作为FIFO读时钟。

2.3 微处理器与CAN收发器模块设计

该部分电路由ARM公司的微处理器STM32F105、隔离型CAN收发器ADM3053组成，如图5所示。

微处理器STM32F105集成CAN协议接口与SPI协议接口，可直接与CAN收发器连接，并将接收到的CAN数据、状态信息加入帧头，通过SPI口打包、发送到FPGA。

ADM3053集成了双通道隔离器、CAN收发器和ADI公司的isoPower DC/DC转换器;芯片内部振荡器输出一对方波，驱动内部变压器提供隔离电源。该器件采用5 V供电，最高工作频率为1 Mbit·s-1，其电路设计如图6所示，图中CAN_P、CAN_L作为差分信号线，以双绞线作为物理层传输。

3 应用软件设计

系统设计完成后，在Windows XP操作系统下，用C语言编写应用软件，并对系统功能与性能进行测试，软件界面如图7所示。

该应用软件发送开始接收信号，查询CAN节点数据和状态，控制CAN节点向上位机发送采集到的数据与当前节点的状态信息。上位机保存接收到的数据、状态信息并对其进行检查，显示出错位置。图7所示为进行了105次DMA传输、且保存9 kB数据、对数据进行检查后的显示界面。该测试过程中，CAN发送的每帧数据为0～99连续变化的数据，通过测试可以验证接收到的数据完全正确。

4 结束语

设计开发的PCI_CAN数据转换系统，数据最高传输速率为1 Mbit·s-1，最远通信距离>10 km，满足CAN总线的性能要求。采用FPGA+PCI9054的设计使系统便于升级和移植;在多种不同型号计算机中运行，均未出现因与计算机不相容而产生找不到PCI卡或蓝屏的现象，达到了设计和使用目的。