基于PC/104總線的多功能擴展通訊模塊的設(shè)計

作者：時間：2016-12-20 來源：網(wǎng)絡(luò)

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1 引言

　　PC/104總線計算機具有體積小、功耗低、工作溫度寬、可靠性高等特點，被廣泛地應(yīng)用于分布式系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)中作為現(xiàn)場控制計算機。在這些系統(tǒng)中的104PC，往往需要同上位機及下面連接的控制執(zhí)行機構(gòu)、傳感器或丈量儀表通訊，而常用的通訊方式有RS-232串行口加MODEM方式、RS-485方式、以太網(wǎng)方式以及各種產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場總線。

　　RS-232串行口加MODEM方式一般用于點對點之間較遠(yuǎn)間隔的數(shù)據(jù)傳輸;RS-485方式一般用于控制現(xiàn)場對多點實施控制，目前它還是產(chǎn)業(yè)控制中使用得最廣泛的一種方式;以太網(wǎng)方式可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和信息共享，但它的時延不可控，在實時性和保密性要求較高的控制系統(tǒng)中的應(yīng)用受到一定限制;現(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱門之一，是應(yīng)用于控制現(xiàn)場、在微機化丈量設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通訊的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通訊的底層控制網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)很多，其中CAN總線在國內(nèi)的發(fā)展速度最快，被以為是替換RS-485的最理想的方式之一。

　　CAN總線規(guī)范已被ISO制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，其模型結(jié)構(gòu)有三層，包括OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層，通訊速率最高可達(dá)1Mbps/40m，直接傳輸間隔最高可達(dá)10Km/5Kbps，可掛接設(shè)備數(shù)最高可達(dá)110個。總線的電氣規(guī)范類似于RS-485，采用雙線差分平衡傳輸，以兩線間的電壓差表示數(shù)字邏輯，分為“顯性”和“隱性”兩種邏輯。CAN總線采用面向內(nèi)容的編址方案，可以在總線中加進(jìn)一些新站而無需在硬件或軟件上進(jìn)行修改。該總線以報文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，報文的優(yōu)先級結(jié)合在11位標(biāo)識符中,確保不同實時性要求的數(shù)據(jù)以不同優(yōu)先級傳送，總線讀取中的沖突可通過位仲裁解決。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯誤的方法,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。利用CAN總線可以以較低的本錢、較高的實時處理能力和在惡劣的強電磁干擾環(huán)境下可靠地工作。

　　綜上所述，根據(jù)目前104PC在產(chǎn)業(yè)控制中的應(yīng)用特點和需求，本設(shè)計的目的是按照PC/104標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計通用型多功能擴展通訊模塊，該通訊模塊包括兩個RS-232串行口、兩個RS-485接口和一個CAN總線接口。

2 器件選型和總體設(shè)計方案

　　要按照PC/104標(biāo)準(zhǔn)在通訊模塊中擴展四個串行口和一個CAN總線接口，在模塊功耗和外型尺寸上限制很嚴(yán)，因而器件需選擇高集成度IC。

　　異步通訊單元是串行口擴展的核心器件，它在指定波特率和數(shù)據(jù)格式下完成并行數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換并完成相應(yīng)的控制。設(shè)計中選用了TI公司的高集成度異步通訊控制單元TL16C554芯片，它集成有4個ACE（異步通訊單元），共用了數(shù)據(jù)線和一些邏輯控制信號，可以通過各自的片選信號選擇每一個ACE單元。每個收發(fā)單元都有自己的中斷請求、數(shù)據(jù)收發(fā)以及MODEM邏輯控制信號，可以完成異步收發(fā)器的所有功能。

　　RS-232C電平與TTL電平轉(zhuǎn)換通過Max213完成。Max213采用的是SSOP封裝，外型尺寸小，功耗小，一片Max213加上幾個小電容就可以完成一個標(biāo)準(zhǔn)RS-232C所有信號的電平轉(zhuǎn)換。

　　RS-485電平與TTL電平轉(zhuǎn)換通過SN65LBC184實現(xiàn)。SN65LBC184是德州儀器公司推出的RS-485總線驅(qū)動芯片，結(jié)構(gòu)簡單，功耗小，由單芯片實現(xiàn)半雙工RS-485通訊。它采用1/2負(fù)載設(shè)計，總線上答應(yīng)掛接64個單元，還具有防靜電、耐高壓沖擊和過熱保護功能，可以進(jìn)步系統(tǒng)的可靠性。

　　CAN總線控制器是實現(xiàn)CAN總線接口擴展的核心器件。它將來自104PC上ISA總線的并行數(shù)據(jù)按照CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)出往，同時也按照CAN總線協(xié)議接收來自外部總線的數(shù)據(jù)。在設(shè)計中選用了PHILIPS公司的SJA1000獨立CAN總線控制器。SJA1000是PCA82C200的升級產(chǎn)品，集成了CAN總線邏輯鏈路層協(xié)議。它與PCA82C200在硬件和軟件上完全兼容，還具有支持?jǐn)U展CAN總線協(xié)議的PELI工作模式（支持CAN2.0B協(xié)議）。具體來說，SJA1000主要具有以下特點：擴展的64 Byte FIFO接收緩沖、支持11bit標(biāo)識碼和29bit標(biāo)識碼、支持標(biāo)準(zhǔn)和擴展格式的幀信息的傳輸，還具有單/雙掩碼濾波器、仲裁丟失中斷、只聽模式、自身信息接收、最近錯誤寄存等眾多PELICAN模式擴展功能。

　　CAN總線電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換通過PHILIPS公司的PCA82C250完成。該芯片與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)兼容，支持最高達(dá)1Mbaud的高速傳輸，可連接110個節(jié)點。采用限斜率控制，降低射頻干擾，具有寬范圍的抗共模干擾、抗電磁干擾能力。

　　設(shè)計中所涉及到的邏輯控制、時序控制由CPLD實現(xiàn)。這樣做的目的，主要出于以下考慮：

　　·假如采用與非門，譯碼器、鎖存器等分立元件實現(xiàn)邏輯控制，大量的元件難以在PCB板上布局，而且使電路變得復(fù)雜，也降低了模塊的可靠性和抗干擾能力。

　　·CAN控制器SJA1000的對外操縱接口是一種地址/數(shù)據(jù)分時復(fù)用的接口，而PC104沒有地址/數(shù)據(jù)分時輸出的特性。因此，必須經(jīng)過期序轉(zhuǎn)換才能實現(xiàn)它們之間的連接。目前，一般采用8031單片機轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的方式來實現(xiàn)：通過8031連接CAN控制器，104PC利用IO端口讀寫的方式將數(shù)據(jù)直接傳送給8031，或者將數(shù)據(jù)寫于雙口RAM中，8031在另一個口讀取數(shù)據(jù)，再由它對CAN總線控制器進(jìn)行操縱，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出往。這種方法無疑又要增加器件和電路的復(fù)雜性。

　　為此，設(shè)計了通過CPLD整合時序?qū)崿F(xiàn)104PC與CAN控制器連接的方法，由104PC分時送出操縱地址和操縱數(shù)據(jù)，并由CPLD整合相關(guān)的邏輯控制信號，滿足CAN控制器的時序要求。

　　·采用CPLD可以根據(jù)需要定義輸進(jìn)輸出腳，方便PCB板布局和走線。

　　·采用CPLD時不必?fù)?dān)心設(shè)計中所采用器件的種類、數(shù)目，可以任意定義所需各種器件，從而優(yōu)化電路性能。

　　·采用CPLD可以通過軟件對電路進(jìn)行仿真，方便電路調(diào)試。

　　·采用CPLD可以在線修改其內(nèi)部邏輯，升級或修改BUG時可不改動外部電路。

　　CPLD芯片選用ALTERA公司的EPM7064SLC84-10,該芯片具有基于EEPROM的第二代MAX結(jié)構(gòu)，支持通過JTAG引腳實現(xiàn)在系統(tǒng)編程。擁有64個宏單元，4個邏輯陣列塊，1250個可用門單元，支持5V/3.3V多電壓IO接口，可提供68個用戶IO引腳。
　　
　　根據(jù)以上的方案，通訊擴展模塊的結(jié)構(gòu)如圖1。

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