利用EPP并行口實(shí)壩PC機(jī)之間通信的CAN總線設(shè)計(jì)

論文作者：曹瓊 蔡淮 程焱 林敏 摘要： 文章簡要介紹了epp并行口及can獨(dú)立控制器s3^1000。并深入 研究 pc對(duì)sjal000的讀寫。根據(jù)讀寫時(shí)序的產(chǎn)生，設(shè)計(jì)了兩套硬件方案。同時(shí)。結(jié)合在實(shí)踐中遇到的 問題 ，指出了一些在can總線協(xié)議使用上需要注意的地方。
關(guān)鍵詞： epp并行口 can總線 sjal000 網(wǎng)絡(luò) 適配卡 利用epp并行口實(shí)壩pc機(jī)之間通信的can總線設(shè)計(jì)西南 交通 大學(xué) 計(jì)算 機(jī)與通信工程學(xué)院曹瓊 蔡淮 程焱 林敏摘要文章簡要介紹了epp并行口及can獨(dú)立控制器s3^1000。并深入研究pc對(duì)sjal000的讀寫。根據(jù)讀寫時(shí)序的產(chǎn)生，設(shè)計(jì)了兩套硬件方案。同時(shí)。結(jié)合在實(shí)踐中遇到的問題，指出了一些在can總線協(xié)議使用上需要注意的地方。關(guān)鍵詞l引言can(controuer area network)總線作為現(xiàn)場總線的一種，與其他總線相比可靠性高性價(jià)比合理。其主要特點(diǎn)有：(1)多主方式工作，非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)；(2)借助接收濾波實(shí)現(xiàn)多地址的幀傳送；(3)短幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，受干擾率低；(4)發(fā)送期間丟失仲裁或由于出錯(cuò)而遭破壞的幀可自動(dòng)重發(fā)；(5)對(duì)于嚴(yán)重錯(cuò)誤具有自動(dòng)關(guān)閉總線功能，使總線其他操作不受 影響 ；(6)不關(guān)閉總線即可任意掛接或拆除節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性；(7)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使各設(shè)備之間具有較好的互操作性、互換性和通用性等。正是由于can總線的這些優(yōu)良性能， 目前 已 應(yīng)用 于船舶制造、 工業(yè) 控制、建筑保安系統(tǒng)中，而且正成為許多領(lǐng)域的 發(fā)展 方向。2 epp并行口　　為了實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確傳輸，數(shù)據(jù)通信已經(jīng)成為自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)串、并行口是pc機(jī)的基本部件之一，利用計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串、并行口來作為pc機(jī)與can總線的通信接口，既方便又 經(jīng)濟(jì) 。但是由于串行通訊口的通訊效率較低，難以完成大量、實(shí)時(shí)性高的數(shù)據(jù)傳輸工作，而傳統(tǒng)的spp并行口只能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的單向傳輸，但高級(jí)并行接口(epp)則可以進(jìn)行高速的雙向數(shù)據(jù)傳輸，是進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N理想選擇。2.1 epp概述　　增強(qiáng)型并行口epp(enhanced parallel port)是一種與標(biāo)準(zhǔn)并行口spp(standard parallel port)兼容的高性能的并行連接口。在實(shí)際應(yīng)用中，由于epp并行口具有8位雙向數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口，因此，epp可作為8位總線，靈活使用。epp協(xié)議又極大地改善了pc機(jī)并行口的數(shù)據(jù)傳輸能力，使得并行口的數(shù)據(jù)傳輸速率可以很容易達(dá)到l一2mbps。epp協(xié)議定義了各種單／雙向信號(hào)以滿足各自的特殊需要�！�2．2 epp寄存器介紹　　epp協(xié)議定義的信號(hào)分別對(duì)應(yīng)三個(gè)不同的寄存器，在pc機(jī)中，并行口l寄存器的基地址一般為378h，該地址包含讀入和讀出兩個(gè)寄存器的雙緩沖寄存器，對(duì)應(yīng)ado…ad7雙向數(shù)據(jù)／地址端口；輸入操作epp信號(hào)的定義及其描述表l　表l列出了epp信號(hào)的定義及其描述。并行口引腳號(hào)epp信號(hào)數(shù)據(jù)方向定義l／write輸出低電平寫，高電平讀2—9ad[o…7]雙向雙向數(shù)據(jù)／地址線lointr輸入外設(shè)中斷llwait輸入握手信號(hào)12用戶定義輸入按不同的外設(shè)自定義13用戶定義輸入按不同的外設(shè)自定義14／datastb輸出低電平有效，表示正在進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫15用戶定義輸入按不同的外設(shè)自定義16reset輸出低有效，外設(shè)復(fù)位17／addstb輸出低電平有效，表示正在進(jìn)行地址讀寫18—25gnd信號(hào)地注：①輸出，表示由計(jì)算機(jī)發(fā)向外設(shè)；輸入，表示由外設(shè)發(fā)向計(jì)算機(jī)。②加“／”表示信號(hào)低電平有效。epp寄存器定義表2378had7ad6ad4ad4ad3ad2adlado379hwallrintr自定義自定義自定義無定義無定義無定義37ah無定義無定義read enableirq enbale／addstb／beste／data/write　　時(shí)使用輸入寄存器，輸出操作時(shí)使用輸出寄存器。單向狀態(tài)端口和單向控制端口的寄存器地址分別為379h和37ah，其定義見表2。這三個(gè)寄存器是與標(biāo)準(zhǔn)并行口spp兼容的，但實(shí)際上除了這三個(gè)寄存器之外，epp還定義了其它幾個(gè)寄存器�！　�epp不需要從主機(jī)送來的信號(hào)就能執(zhí)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)主機(jī)把數(shù)據(jù)寫到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)時(shí)，總線自動(dòng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)選通信號(hào)。同樣，從端口讀人數(shù)據(jù)時(shí)也是自動(dòng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)選通信號(hào)來表示系統(tǒng)正準(zhǔn)備接收下一批數(shù)據(jù)。3 can獨(dú)立控制器sjal000sjal000是一種獨(dú)立控制器，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制(can)，是philips半導(dǎo)體pca82c200 can控制器(basiecan)的替代產(chǎn)品。其基本特性有：(1)引腳與pca82c200獨(dú)立can控制器兼容。(2)有擴(kuò)展的接收緩沖器64字節(jié)，先進(jìn)先出(fifo)；(3)支持can2．0a和can2．0b協(xié)議；(4)通信位速率可達(dá)imbps。而且它增加了一種新的工作模式(pelican)，這種模式支持具有很多新特性的can2．0b協(xié)議。4can總線收發(fā)器pca82c250pca82c250是can控制器和物理總線間的接口。器件可以提供對(duì)總線差動(dòng)發(fā)送、接收的能力。采用雙線差分驅(qū)動(dòng)，有助于抑制汽車等惡劣電氣環(huán)境下的瞬間干擾。其主要特性有：(1)與iso／dis 11898標(biāo)準(zhǔn)全兼容；(2)高速性，最高可達(dá)imbps；(3)具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾能力，保護(hù)總線能力；(4)降低射頻干擾的斜率控制；(5)熱保護(hù)；(6)總線與電源及地之間的短路保護(hù)；(7)低電流待機(jī)方式；(8)掉電自動(dòng)關(guān)閉輸出；(9)可支持多達(dá)110個(gè)節(jié)點(diǎn)相連接等。 5　適配卡設(shè)計(jì)　　can總線的卓越性能為 工業(yè) 控制提供了一種可靠的數(shù)據(jù)通信，為了擴(kuò)展can總線的監(jiān)控和管理功能，應(yīng)設(shè)計(jì)一塊適配卡，連接pc機(jī)的并行口，該卡上具備can接口和pc接口特性，它完成的任務(wù)主要是pc機(jī)與總線之間的通信�！　�為此，適配卡的主要組成有：can總線控制器(sjal000)、can總線驅(qū)動(dòng)器(pca82c250)、epp并行端口。sjal000是集成的獨(dú)立can控制器，它負(fù)責(zé)完成can總線通信協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。sjal000片含有控制寄存器、命令寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器和收發(fā)寄存器。pc機(jī)通過讀寫這些寄存器來實(shí)現(xiàn)對(duì)sjal000的控制；芯片的tx0、txl、rx0、rxl引腳用于與can總線的接口。pca82c250是專門用于can總線收發(fā)驅(qū)動(dòng)的9腳芯片，txd、rxd引腳分別接收和發(fā)送驅(qū)動(dòng)后的信號(hào)；canh、canl引腳接至雙絞線或同軸電纜等傳輸介質(zhì)。使用pca82c250可以擴(kuò)大通信距離，能提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保護(hù)總線，降低射頻干擾，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等。sjal000的中斷輸出信號(hào)／int接到epp的intr中斷后，通過中斷方式實(shí)現(xiàn)pc機(jī)與can控制器的通信。由于sjal000的中斷輸出信號(hào)是低電平有效，而epp的中斷信號(hào)是高電平有效，所以在他們的連線之間必須加一個(gè)反向器。根據(jù)通信讀寫時(shí)序的產(chǎn)生，設(shè)計(jì)了一種由軟件產(chǎn)生讀寫時(shí)序的電路和一種由硬件產(chǎn)生讀寫時(shí)序的電路。5．1軟件產(chǎn)生讀寫時(shí)序電路　　連線說明：sjal000的ado~ad7直接與epp并行口的ado~ad7相連；ale直接與nwrite相連；／rd,／wr分別與naddstrobe和ndatastrobe相連；／int的引線反向后與epp的intr相連(如圖l所示)。　　此種電路設(shè)計(jì)需要軟件產(chǎn)生訪問外設(shè)芯片所需的讀寫時(shí)序。在我們的 應(yīng)用 程序中，對(duì)sjal000的讀寫函數(shù)分別為readreg和setreg，用匯編語言實(shí)現(xiàn)如下(如表3所示)：5．2硬件產(chǎn)生讀寫時(shí)序　　連線說明：nwait信號(hào)為外設(shè)發(fā)送給pc的握手信號(hào)，以便pc在訪問慢速外設(shè)時(shí)插入等待周期。讀寫函數(shù)表表3void setreg(im port，int value)／／通過雙向口向sjal000發(fā)送數(shù)據(jù)，port為sjal000寄存器的地址，value為要設(shè)置的值im readreg(int port)／／讀取sjal000寄存器的值，port為sjal000寄存器的地址，返回的值為該寄存器的值{_sflm}mov esx，0／／臨時(shí)寄存器清零mov dx，37ahmov al，0dshout dx，al／／write高，ale低電平，地址選通mov dx，378hmov eax，portout dx，al／／將要訪問的sial000寄存器地址放上數(shù)據(jù)線mov dx，37ahmov a1，0d4hout dx，al／／write高。ale高，將地址信號(hào)鎖存mov a1，0d5hout dx，al／／write高，ale為低電平，地址選通mov dx，378hmdv eax，valueout dx，al／／把要寫的數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線mov dx．37a}imov a1.0ddhout山．且j／／write低，可寫，ale低，地址選通，將數(shù)據(jù)寫入sjal000mov ai，0d5hout(1x，al／／復(fù)位，write為低，ale低}}}int retumcode=0：asm}mo~e,sx，0mov dx，37alimov a1，0d5hout dx，al／／read為低電平，ale低，地址選通lnov dx，378hmov e．sx，portout dx，al／／將要訪問的sjal000寄存器地址放上數(shù)據(jù)線mov(b，37ahmov a1，0d4hout dx，al／／read低，ale高，將地址鎖存mov a1.0d5hout dx．a(chǎn)l／／read低，ale低，地址選通mov dx．37ailmov a1.0d7h／／read為低，ale低，數(shù)據(jù)被送上數(shù)據(jù)線out cb，almov a1.0f7hout dx．a(chǎn)l／，lreadenable為1．允許數(shù)據(jù)讀入mov eax．0mov dx，378h．m al，dx，／／從效據(jù)總線讀人寄存器mov returneode。eax[nov dx，37ahmov a1，0f5hout dx，al／／read高，ale低mov a1，0d5hout dx，al／／恢復(fù)，關(guān)掉readenble}ieturn retumcode；}注：向控．i端口37ah的addstb，datastb，write位寫入1時(shí)，并行口17、14和1；i腳均為低電平；相反寫入0時(shí)，三個(gè)引腳均為高電平�！　�sjal000的訪問時(shí)間在40ns以內(nèi)，所以pc在訪問sjal000時(shí)完全可以不用插入等待周期。nwait可由naddrstrobe和ndatastrobe信號(hào)經(jīng)過一個(gè)與非門后產(chǎn)生。由于sjal000的ale是下降鎖存地址信號(hào)，所以將naddrstrobe反相后與ale相連。在epp的數(shù)據(jù)讀／寫周期時(shí)，sjal000的rd和wr控制信號(hào)應(yīng)該有效，而在地址讀／寫周期時(shí)應(yīng)該無效。sjal000的reset腳與并行端口的nreset腳相連，由pc機(jī)向sjal000提供復(fù)位信號(hào)。。　　地址／數(shù)據(jù)讀寫說明：握手信號(hào)nwait由naddrstrobe和ndatastrobe信號(hào)經(jīng)過一個(gè)與非門后再延遲一段時(shí)間產(chǎn)生，然后可利用epp并行口的數(shù)據(jù)／地址周期來產(chǎn)生sjal000芯片的讀寫時(shí)序。sjal000芯片的讀寫時(shí)序分為地址鎖存和數(shù)據(jù)讀寫。地址鎖存解決的是地址的寫入和地址鎖存信號(hào)的產(chǎn)生；數(shù)據(jù)讀寫是數(shù)據(jù)的讀寫以及相應(yīng)的讀寫控制信號(hào)的產(chǎn)生。所以，可以利用epp的地址寫周期來產(chǎn)生sjal000讀寫時(shí)序的地址鎖存部分，并用epp并行口的數(shù)據(jù)讀寫周期來產(chǎn)生sjal000讀寫時(shí)序的數(shù)據(jù)讀寫部分�！　�數(shù)據(jù)寫周期的時(shí)序如圖3所示，其步驟如下：(1)程序向epp的data端口發(fā)送一個(gè)i／o寫周期命令；(2)插入nwrite信號(hào)，同時(shí)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在并行端口數(shù)據(jù)線上；(3)當(dāng)nwait信號(hào)變成低電平之后，插人數(shù)據(jù)選通信號(hào)；(4)端口等待來自外設(shè)的應(yīng)答信號(hào)(取消nwalt信號(hào))；(5)取消數(shù)據(jù)選通信號(hào)，epp周期結(jié)束；數(shù)據(jù)讀周期的時(shí)序如圖4所示，其讀數(shù)據(jù)的步驟如下：(1)程序中向eppdata端口發(fā)送一個(gè)i／o讀周期命令；(2)當(dāng)nwait信號(hào)變成低電平之后，插入數(shù)據(jù)選通信號(hào)；(3)端口讀取數(shù)據(jù)位，取消數(shù)據(jù)選通信號(hào)；(4)端口等待來自外設(shè)的應(yīng)答信號(hào)(取消nwait信號(hào))；(5)epp周期結(jié)束；(6)isa周期結(jié)束�！　〉刂穼懞偷刂纷x周期除了把ndatastrobe信號(hào)替換成naddstrobe之外完全一樣。相關(guān)引腳直值表如表4所示。5．3兩種設(shè)計(jì)的比較　　實(shí)驗(yàn)表明，采用軟件產(chǎn)生讀寫時(shí)序設(shè)計(jì)的硬件比較簡單，便于調(diào)試，但是程序編寫比較復(fù)雜(需編寫程序產(chǎn)生sjal000的讀寫時(shí)序)；用硬件產(chǎn)生讀寫時(shí)序設(shè)計(jì)的硬件稍微復(fù)雜，硬件調(diào)試也復(fù)雜一些，但是應(yīng)用程序的編寫要簡單一些(不用編寫程序產(chǎn)生sjal000的讀寫時(shí)序)，而且端口讀寫的速度也快得多。6　設(shè)計(jì)中存在的幾個(gè) 問題 (1)pca82c250第8腳與地之間的電阻rs稱為斜率電阻，它的取值決定了系統(tǒng)處于高速工作方式還是斜率控制方式。把該引腳直接與地相連，系統(tǒng)將處于高速工作方式。在這種方式下，為避免射頻干擾，建議使相關(guān)引腳的真值表表4／ndata／naddr／nwrite／wr／rdale備注0l00l0數(shù)據(jù)讀，地址鎖存olllo0數(shù)據(jù)寫，地址鎖存l000ll地址寫，地址選通lo1l0l地址讀，地址選通1l0ll0地址數(shù)據(jù)均無效．等待llllll地址數(shù)據(jù)均無效，等待注：①標(biāo)加“／”表示低電平有效。加字母“n”表示是并行口的引腳。②因?yàn)榈刂泛蛿?shù)據(jù)不能同時(shí)被選通，所以，真值表中就不列出它們同時(shí)被選通的情況。用屏蔽電纜作總線；而在波特率較低、總線較短時(shí)，一般采用斜率控制方式，上升和下降的斜率取決于rs的阻值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，15～200k為rj較理想的取值范圍。在這種方式下，可以使用平行線或雙絞線作總線。(2)sjal000的txl引腳懸空，rxl引腳的電位必須維持在約o．5vce上，否則將不能形成can協(xié)議所要求的電平邏輯。如果系統(tǒng)傳輸距離近，環(huán)境干擾小，可以不用電流隔離，這樣可以直接把pca82c250的vrff端(約為0．5vcc)與rxl腳相連，從而簡化電路。(3)必須將sjal000的中斷信號(hào)取反之后才能接到pc機(jī)并行口的中斷引腳上，這樣才能保證硬件中斷的正確觸發(fā)。7　通信控制程序　　根據(jù)系統(tǒng)要求和硬件設(shè)計(jì)原理，編寫的通信控制程序應(yīng)該完成以下功能：在通信控制主界面中可以加載并行口驅(qū)動(dòng)程序，初始化sjal000；發(fā)送、接收數(shù)據(jù)；監(jiān)測寄存器的變化；軟件復(fù)位等附加功能。8　　結(jié)束語　　在此設(shè)計(jì)中，我們掌握了有關(guān)can總線和epp并行口的基本知識(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于epp協(xié)議的用于pc機(jī)間通信的can總線適配卡。編寫了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序(有關(guān)配套軟件的具體問題，不在此介紹)，經(jīng)實(shí)踐證明，兩種方案均可行。為了進(jìn)一步滿足應(yīng)用的需要，在完善組網(wǎng)設(shè)計(jì)和功能管理方面，can還有很多 理論 和技術(shù)方面的問題有待解決。其中包括標(biāo)準(zhǔn)的開放式應(yīng)用層協(xié)議的制定、更靈活的 網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出和使用，更簡單、 經(jīng)濟(jì) 的單片式can芯片的研制等等。 參考 文獻(xiàn) 1鄔寬明．can總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京航空航天大學(xué)出版社。19962陽憲惠．現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用．清華大學(xué)出版社， 19993 sjal000 stand-alone can controller data sheet． philips公司產(chǎn)品說明書。19974 pca82c250 can controller interface data sheet。 philips公司產(chǎn)品說明書，20005安格斯生．《并行端口大全》 中國 電力出版社，20016饒家明．can總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)．《工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置》．2002；57張培仁．采用epp協(xié)議的can總線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．《 計(jì)算 機(jī)應(yīng)用》第21卷。第2期論文出處(作者):曹瓊 蔡淮 程焱 林
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