基于CAN总线的非智能适配卡设计
引言
控制器局域网can (controller area network)是目前被批准为国际标准的少数现场总线之一。can网络可采用多主方式工作。它采用非破坏性的总线仲裁技术，其信号传输和控制采用短帧结构，因而具有较强的抗干扰能力和低耦合性；cah网络的通讯速率范围为5
kbs／10 km～lmbs／／40m，驱动节点数可达110个。它的传输介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，选择十分灵活；每帧信息都有crc校验及其它检错措施，因而数据出错率极低，可靠性很高；当其传输的信息出错严重时，节点可自动断开与总线的联系，以使总线上其它的操作不受影响。
虽然目前pci、usb等总线技术得到了快速发展，但在大量应用的测试微机及工控机中，用的最多的还是isa (industry standard
architecture．工业标准体系结构)总线。isa总线具有16位数据宽度，最高工作频率为8mhz，数据传输速率达到16mb／s，地址总线有24条，可寻址16mb的地址单元，其总线信号分为5类，分别为地址线、数据线、控制线、时钟线和电源线。
为了解决can控制器sja1000与isa总线各信号线的时序配合与逻辑配合问题，笔者设计了一种基于can总线的非智能适配卡。该适配卡已应用于笔者研制的"基于can总线的运动控制系统"中，运行情况良好。
非智能型isa总线can适配卡的总体结构
can控制器sja1000的地址数据总线是分时复用的，通过ale信号的下降沿可锁存总线上的地址信号；isa总线上的地址和数据总线是单独提供的，它不能直接和sja1000的地址数据总线相连。本设计利用地址译码电路来对地址信号线进行译码，从而为can适配卡分配出一定的端口地址。然后再利用74hc373芯片的数据锁存功能锁存第一次i／o操作中通过isa数据总线传送的数据信号，以便作为访问can控制器sja1000中寄存器的地址信号，最后在第二次i／o操作中完成对sja1000中相应地址寄存器的读写操作。其适配卡的总体结构如图1所示。
图1中，地址锁存器74hc373可看作sja1000的地址端口，而sja1000本身可看作sja1000的数据端口，另外还有对sja1000进行硬件复位的复位端口。图中的基地址译码电路以aen作为使能信号，对a2～a9地址信号进行译码就可得到适配卡的基地址；组合ao和a1地址信号可得到各端口的偏移地址。sja1000与isa的通讯采用两次i／o操作的方法，第一次先往地址端口送地址，第二次再对数据端口进行访问。这里所说的地址及数据端口都是对sjal000而言的，通过isa总线的数据线可获得被访问的sja1000寄存器的地址及所传送的数据。控制端口译码电路可将cpu送来的控制信号和地址信号按一定的逻辑关系进行组合，从而生成一组新的功能信号作为接口控制信号。通过sja1000复位电路可对saj1000进行复位，具体操作可采用上电复位、程序复位及按键复位三种硬件复位方式。
适配卡硬件的设计
基地址译码电路设计
图2所示是一种具体的基地址译码电路。一般情况下，根据系统需要，地址译码电路可对isa地址线的端口地址译码，并可用ao～a9来表示。基地址译码电路对a9～a2进行译码，则可作为卡上端口的基地址。
图2中，74hc688是一个8位量值比较器，当时pi=qi(i=0…7)，p=q的反端输出低电平。当isa总线的aen为高电平时，总线工作在dma方式；而当aen为低电平时，cpu拥有对总线的控制权。非智能型适配卡的工作过程实际上就是cpu对i／o的操作过程，期间，aen始终为低电平，可用于控制74hc688的选通端g反。只有在i／o操作时，才允许它选择地址。由于使用的是拨码开关，用户可预先设定适配卡的基地址。卡上各端口的偏移由a1和a0选择，并可通过软件控制，本设计中的定义地址端口偏移为00，数据端口偏移为01，复位端口偏移为11。
控制信号产生电路
该适配卡的控制信号产生电路如图3所示。该电路的主要作用是把cpu送来的控制线和地址线按照一定的逻辑关系进行组合，以生成一组新的功能信号输出。该信号可作为接口控制信号去控制sja1000、74hc373、74hc245等芯片的工作状态。由于基地址译码电路的输出信号为p=q的反(低电平有效)，sja1000地址端口偏移地址为00h，数据端口偏移地址为01h，因此，根据控制逻辑，适配卡中各芯片的控制信号逻辑表达式为：
适配卡在工作过程中，各芯片的逻辑时序关系是：当74hc373输出数据有效时，74hc245输出为高阻态；当74hc373输出呈高阻态，且sja1000的数据直接传回isa总线时，74hc245输入输出工作正常。具体来讲，假设can的基地址为300h，且访问sja1000是分两次i／o操作完成的，那么，第一次往端口300h送出的数据可在写信号的后沿被锁存在74hc373中，这个操作中，74hc245的e与74hc373的le端有效，而74hc373的oe端为高电平，74hc373输出端为高阻态；当第二次访问数据端口301h时，sja1000被选中，此时cpu可对sja1000的相应单元进行读／写操作。具体的操作过程分为读、写两种情况。当第二次i／o操作到来时，sja1000会在bale信号下降沿将第一次i／o操作时锁存在74hc373中的数据作为地址锁存，该过程中，74hc245的e反为高电平，输出呈高阻态，74hc373的oe的反为低电平，输出端有效，可向sja1000传送地址信号。当地址被sja1000锁存以后，此时如果进行的是读操作，那么，在读信号有效期间(低电平)，74hc373的输出允许oe反端为高电平，74hc373输出端呈高阻态，这时sja1000可将选中单元的寄存器内容输出到数据总线，并通过74hc245驱动送入cpu中。而在地址锁存后，如果进行的是写操作，那么，74hc373的输出允许端始终有效，此时可在写信号有效期间，将数据写入sja1000的相应单元中。
计算机通过isa总线对can控制器sja1000进行读写的时序分别如图4和图5所示。
复位电路sja1000正常工作前，只有通过复位引脚对其进行可靠的硬件复位，才能对sja1000中的寄存器进行正确的读写操作。使sja1000可靠复位的电平持续最小时间为0.1μs，pc系统复位电平持续时间可达几微秒。系统复位信号reset在系统电源接通时为高电平，经反向器后可直接用于对sja1000进行复位。图6所示是适配卡的复位电路，对sja1000的复位具有开机上电复位、程序复位以及按键复位等三种方式。
在图6中，a1和a0经过与非门74lsl0后，为复位电路产生的偏移地址为11，该地址信号与iow反、p=q反等信号经过逻辑组合，同时配合程序设计可产生对sja1000的复位信号。程序设计时只需对复位端口写入一个数据即可实现程序复位。而按键复位则可在系统运行出现通信故障时，直接用于对can控制器sja1000进行硬件复位。
适配卡的软件设计
软件设计的关键部分是can通信程序的设计。通信程序(流程如图7、8、9所示)可分为三部分：can初始化程序、接收程序、发送程序。初始化是通信的前提，主要完成对can控制器的一些寄存器的设置。由于sja1000支持中断操作，因此可以用中断服务程序来完成数据的接收和发送，以提高系统的工作效率。
实际上，只有在复位模式下才可以对sja1000进行初始化，初始化主要包括工作方式的设置、接收滤波方式的设置、接收屏蔽寄存器和接收代码寄存器的设置、波特率参数设置和中断允许寄存器的设置等。完成初始化后，即可将sja1000设置为工作状态，以进行正常的通信。发送子程序负责节点报文的发送。发送时，读取状态寄存器并对各位进行适当判断，并将待发送的数据按特定格式组合成一帧报文，送入sja1000发送缓存区中，然后启动sja1000发送；接收子程序则负责节点报文的接收以及其它情况的处理。在处理接收报文的过程中，还要对总线关闭、错误报警、接收溢出等情况进行处理。
can适配卡与计算机可采用中断方式通信。但在win api中不能直接控制中断，只有在操作系统底层为can适配卡编写虚拟设备驱动程序(vxd)才可以利用中断。这需要在虚拟设备驱动程序中将中断虚拟化，并在中断事件响应函数中编写所需代码，同时为应用程序提供访问接口。应当注意的是：计算机通过isa总线对can适配卡上的sja1000进行访问采用的是两次i／o操作，第一次往地址端口送地址，第二次对数据端口进行访问。其具体的实现代码如下：
／／向指定的sja1000寄存器(地址为addr)写一个字节数据(data)，can_base为基地址
void canirq：：writebyte(int can_base，unsigned char addr，unsigned char data)
{
_outp(can_base，addr)；
_outp(can_base+1，data)；
}
//从指定的sja1000寄存器(地址为addr)读一个字节数据(data)
unsigned char canirq：：readbyte(int can_base，unsigned char addr)
{
unsigned char result；
_outp(can_base，addr)；
result=_inp(can_base+1)；
return result；
}
在访问sja1000的程序中，可以直接调用以上两子函数。这样，其发送程序段代码为：
bool canirq：：cantrans(int can_base，unsigned char*ptransbuf)
{
status=readbyte(can_base，sr)； ／／sr为状态寄存器地址
for(i=0；i
{
writebyte (can_base,*ptfansbuf，ptbuf；／／ptransbuf为发送缓冲区地址
ptbuf++；ptransbuf++；
}
}
结束语
通过解决计算机isa总线与can控制器sja1000的逻辑配合与时序配合可完成基于can总线的非智能适配卡设计。该适配卡现已成功地应用于笔者所研制的基于can总线的测控系统中。实际上，若在适配卡上增加can通信控制器，也可使一卡带多条can总线，以增加网络节点，扩大网络规模。另外，还可以在适配卡的应用程序中，根据应用系统需要编写各种监控程序来扩展系统功能。
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