通過(guò)ARM9擴(kuò)展串口和LCD接口實(shí)現(xiàn)155B轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計(jì)

１、引言

２０世紀(jì)７０年代誕生的１５５３Ｂ總線是一種主從式多冗余度總線對(duì)總線硬件有嚴(yán)格的規(guī)定，可靠性和實(shí)時(shí)性好，傳輸速率達(dá)到１Ｍｂ／ｓ，對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用都能滿(mǎn)足，通過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)今軍用電子總線的首選。而由德國(guó)ＢＯＳＣＨ公司開(kāi)發(fā)的ＣＡＮ總線，采用多主方式，最高速率為１Ｍｂ／ｓ，由于其在汽車(chē)電子系統(tǒng)中的卓越表現(xiàn)，現(xiàn)在受到了越來(lái)越多的用戶(hù)的關(guān)注和認(rèn)可。這兩種總線都是傳輸速率高、可靠性高、實(shí)時(shí)性能好的總線，但是他們都存在一定的不足。１５５３Ｂ總線的任一次數(shù)據(jù)傳輸都是由主節(jié)點(diǎn)發(fā)出命令開(kāi)始，從節(jié)點(diǎn)接到命令后解析并執(zhí)行，同時(shí)把相應(yīng)狀態(tài)反饋給主節(jié)點(diǎn)，這使得網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸率大大降低，并使主節(jié)點(diǎn)控制器非常繁忙，而且在下端出現(xiàn)異常時(shí)，數(shù)據(jù)不能立即上傳，必須等待主節(jié)點(diǎn)的傳輸命令，靈活性較差。而ＣＡＮ總線為多主競(jìng)發(fā)總線，能較好解決這個(gè)問(wèn)題。但是ＣＡＮ總線也存在很多不足，例如他無(wú)法和１５５３Ｂ總線一樣給出一個(gè)比較確定的響應(yīng)時(shí)間，而且沒(méi)有雙冗余或多冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這使得他的可靠性和實(shí)時(shí)性不如１５５３Ｂ，而在軍用電子中，可靠性和實(shí)時(shí)性是最重要的。因此軍用電子系統(tǒng)中，１５５３Ｂ總線得到了廣泛的應(yīng)用，但同時(shí)１５５３Ｂ總線硬件成本非常高，相同條件下是ＣＡＮ總線的幾百倍，對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是很難承受的，所以在現(xiàn)在的測(cè)控系統(tǒng)中對(duì)于控制仍舊采用１５５３Ｂ總線，對(duì)于測(cè)試采用ＣＡＮ總線，而這兩者之間的信息交互就成了整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，促使了對(duì)１５５３Ｂ和ＣＡＮ總線轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

２、設(shè)計(jì)思想

１５５３Ｂ總線的幀結(jié)構(gòu)有２種，其實(shí)命令字和狀態(tài)字共用一種幀結(jié)構(gòu)。而這兩種幀僅僅是同步頭不同

１５５３Ｂ的幀中，開(kāi)始３位為同步位，數(shù)據(jù)字是上跳沿，而命令字和狀態(tài)字為下降沿，４～１９位為數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)字中為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，而命令字和狀態(tài)字中為命令或狀態(tài)位，最后一位為奇偶校驗(yàn)位。而在ＣＡＮ總線中，只有一種幀結(jié)構(gòu)，僅僅是是否采用擴(kuò)展幀而已。

其中幀起始由單個(gè)顯位組成，仲裁場(chǎng)由標(biāo)識(shí)符和ＲＴＲ位組成，一共１２位，控制場(chǎng)由２個(gè)保留位和４個(gè)ＤＬＣ位組成，數(shù)據(jù)場(chǎng)由０到８?jìng)€(gè)字組成，每個(gè)字８位，ＣＲＣ場(chǎng)由１５位的ＣＲＣ序列和１位標(biāo)識(shí)位組成，ＡＣＫ場(chǎng)由１位ＡＣＫ間隙和一位ＡＣＫ界定符組成，最后的幀結(jié)束由連續(xù)的７個(gè)隱性位組成。

由此可見(jiàn)，１５５３Ｂ和ＣＡＮ總線不但幀結(jié)構(gòu)不同，命令體系不一樣，而且不同的１５５３Ｂ與ＣＡＮ總線之間的轉(zhuǎn)換方法也是不一樣的，因此１５５３Ｂ與ＣＡＮ總線之間的轉(zhuǎn)換不僅僅是幀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，還涉及到兩個(gè)系統(tǒng)之間命令的解析，所以采用軟件的方式可以更加靈活的實(shí)現(xiàn)這兩種總線的轉(zhuǎn)換。

而要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換就需要在ＣＡＮ和１５５３Ｂ總線端點(diǎn)之間需要搭建一個(gè)能夠運(yùn)行并合理調(diào)度多個(gè)應(yīng)用程序的平臺(tái)。綜合整個(gè)轉(zhuǎn)換板的考慮，采用帶操作系統(tǒng)的ＡＲＭ９處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)平臺(tái)是比較合適的。ｃＡＮ總線部分，可以設(shè)計(jì)成一般的主節(jié)點(diǎn)，而對(duì)于１５５３Ｂ總線部分，由于１５５３Ｂ有３種不同的端點(diǎn)，為了擴(kuò)展轉(zhuǎn)換板的功能，可以把轉(zhuǎn)換板的這個(gè)端點(diǎn)設(shè)計(jì)成為可以通過(guò)不同的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)不同功能，因此這需要１５５３Ｂ端點(diǎn)的協(xié)議和上層應(yīng)用程序可配置，為此可以采用ＦＰＧＡ和ＡＲＭ共同工作的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)端點(diǎn)。而為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以通過(guò)從ＡＲＭ９上擴(kuò)展串口和ＬＣＤ接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。

３、轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

３．１轉(zhuǎn)化卡硬件的選擇

轉(zhuǎn)換卡的硬件是整個(gè)轉(zhuǎn)換卡功能的基礎(chǔ)，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖３所示。而在轉(zhuǎn)換卡的硬件設(shè)計(jì)中，器件的選擇決定了設(shè)計(jì)的實(shí)際方案和電路。對(duì)于ＣＡＮ節(jié)點(diǎn)，采用了ＰＨＩＬＩＰＳ公司的ＳＪＡ１０００ＴＣＡＮ總線控制器和ＴＪＡ１０５０ＣＡＮ總線收發(fā)器來(lái)共同實(shí)現(xiàn)。對(duì)于１５５３Ｂ節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議部分功能的ＦＰＧＡ采用ＡＬＴＥＲＡ的ＥＰ１Ｃ３Ｔ１４４，收發(fā)器和變壓器采用了ＨＯＬＴ公司的ＨＩ－１５６７和ＰＤ２７２５，他們與ＡＲＭ９共同完成了１５５３Ｂ端點(diǎn)協(xié)議。最后的核心處理器ＡＲＭ９則采用ＡＴＭＥＬ的ＡＴ９１ＲＭ９２００Ｔ，他擁有１８０ＭＨｚ的頻率，４個(gè)ＰＩＯ接口，不但能夠與ＦＰＧＡ共同完成１５５３Ｂ端點(diǎn)功能，滿(mǎn)足１５５３Ｂ對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，而且還能運(yùn)行需要的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，完成整個(gè)轉(zhuǎn)化工作。而對(duì)于用于實(shí)時(shí)監(jiān)控，ＬＣＤ芯片采用了ＥＰＳＯＮ的Ｓ１Ｄ１３５０６擴(kuò)展芯片，而串口則采用了傳統(tǒng)的ＭＡＸ３２３２。以上的這些芯片構(gòu)成了整個(gè)轉(zhuǎn)換卡的框架，通過(guò)他們就構(gòu)成了轉(zhuǎn)換卡的硬件。

在這種方案中，ＲＡＭ采用了雙口ＲＡＭ，１５５３Ｂ和ＡＲＭ９共用一個(gè)口，這樣ＣＡＮ總線出來(lái)的數(shù)據(jù)和１５５３Ｂ總線過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)不用轉(zhuǎn)存就可以直接通過(guò)另外一段輸出或者緩沖等待發(fā)送。Ｓ１Ｄ１３５０６芯片是一個(gè)多功能擴(kuò)展芯片，他還有多種功能擴(kuò)展，可以擴(kuò)展出音頻和視頻接口。

３．２轉(zhuǎn)換卡軟件實(shí)現(xiàn)方式

在整個(gè)的轉(zhuǎn)換卡實(shí)現(xiàn)中面臨的最大問(wèn)題就是轉(zhuǎn)換的實(shí)時(shí)性和緩沖數(shù)據(jù)管理，為此轉(zhuǎn)換卡通過(guò)使用實(shí)時(shí)性非常好的搶占式多任務(wù)操作系統(tǒng)ＲＴＬｉｎｕｘ來(lái)解決。他不但能滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，完成總線兩邊緩沖數(shù)據(jù)管理，還能為應(yīng)用程序和轉(zhuǎn)換程序提供一個(gè)良好的運(yùn)行環(huán)境。轉(zhuǎn)換程序主要完成兩個(gè)功能：把１５５３Ｂ總線來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ＣＡＮ總線的幀結(jié)構(gòu)，或者相反；把１５５３Ｂ總線來(lái)的命令解析，轉(zhuǎn)換成ＣＡＮ總線系統(tǒng)的命令并組成ＣＡＮ的幀結(jié)構(gòu)發(fā)送。轉(zhuǎn)換卡采用ＭｉｎｉＧＵＩ來(lái)為用戶(hù)提供實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的圖形界面，這個(gè)圖形界面可以通過(guò)轉(zhuǎn)換卡擴(kuò)展的ＬＣＤ很好地完成信息交換過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)視的任務(wù)。最后通過(guò)ＡＲＭ９的ＪＴＡＧ口可以對(duì)ＡＲＭ９中運(yùn)行的應(yīng)用程序和轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行修改與調(diào)試。

３．３轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換機(jī)制

設(shè)計(jì)中采用中斷源優(yōu)先級(jí)控制機(jī)制，不同的中斷源設(shè)置不同的中斷等級(jí)，以滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。這種機(jī)制主要是基于下列考慮：

（１）來(lái)自１５５３Ｂ，ＣＡＮ以及串口的硬中斷請(qǐng)求信號(hào)及來(lái)自應(yīng)用程序的軟中斷信號(hào)都是隨機(jī)的。中斷機(jī)制可以使ＡＲＭ９能夠?qū)崟r(shí)地響應(yīng)各個(gè)中斷，并做出相應(yīng)的動(dòng)作。實(shí)時(shí)性要求相對(duì)比較高的１５５３Ｂ端點(diǎn)中斷被賦予高優(yōu)先級(jí)，可以剝奪ＣＡＮ，串口等相對(duì)低優(yōu)先級(jí)的中斷的服務(wù)。而ＣＡＮ被賦予次高優(yōu)先級(jí)，應(yīng)用程序以及串口被賦予最低優(yōu)先級(jí)。

（２）１５５３Ｂ和ＣＡＮ的數(shù)據(jù)傳輸速率是不同的。ＣＡＮ總線的不同配置，１５５３Ｂ總線控制器的不同調(diào)度都會(huì)引起１５５３Ｂ和ＣＡＮ總線的數(shù)據(jù)傳輸速率的變化，可能１５５３Ｂ比ＣＡＮ快，也可能ＣＡＮ比１５５３Ｂ快。采用中斷方式可以大大降低慢速對(duì)較高速設(shè)備的處理延時(shí)。

同時(shí)在硬件的設(shè)計(jì)中考慮到軟件編程的靈活性，因此所有的中斷信號(hào)都設(shè)計(jì)成可以通過(guò)查詢(xún)得到。

３．４硬件測(cè)試

在硬件完成后，對(duì)整個(gè)硬件進(jìn)行了測(cè)試。首先把１５５３Ｂ端點(diǎn)聯(lián)入１５５３Ｂ總線系統(tǒng)中，他能正確地響應(yīng)總線，通過(guò)示波器觀測(cè)由變壓器和收發(fā)器變換后的信號(hào)和序列，得到的信號(hào)電平和序列都符合既定的要求。然后把１５５３Ｂ端點(diǎn)協(xié)議寫(xiě)入ＦＰＧＡ和ＡＲＭ，測(cè)試端點(diǎn)的反應(yīng)時(shí)間，即接收命令字到發(fā)出狀態(tài)字之間的間隔，這個(gè)時(shí)間為１．５～２．５μｓ之間，完全滿(mǎn)足１５５３Ｂ總線的協(xié)議要求。最后把ＣＡＮ總線、串口、ＬＣＤ接口都連接上，整個(gè)硬件工作良好。

４、轉(zhuǎn)換卡功能及特點(diǎn)

４．１轉(zhuǎn)換卡的主要功能

（１）轉(zhuǎn)換卡在一個(gè)既定的協(xié)議下能夠?qū)崿F(xiàn)ＣＡＮ總線系統(tǒng)與１５５３Ｂ總線系統(tǒng)的信息交互，同時(shí)滿(mǎn)足兩總線系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

（２）轉(zhuǎn)換卡可以單獨(dú)作為一個(gè)ＣＡＮ總線的節(jié)點(diǎn)或者１５５３Ｂ總線端點(diǎn)連入總線系統(tǒng)，完成相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)功能。

（３）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和監(jiān)控。應(yīng)用轉(zhuǎn)換卡的ＬＣＤ擴(kuò)展口和串口，用戶(hù)可以通過(guò)ＬＣＤ顯示屏或者外部計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制兩總線之間的信息轉(zhuǎn)換。

４．２硬件主要特點(diǎn)

（１）１５５３Ｂ端點(diǎn)協(xié)議采用ＦＰＧＡ與ＡＲＭ芯片共同實(shí)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)不但可以通過(guò)更改協(xié)議實(shí)現(xiàn)程序把端點(diǎn)配置成遠(yuǎn)程端點(diǎn)、控制器、監(jiān)視器等３種不同功能的端點(diǎn)，而且因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)ＡＲＭ９與ＦＰＧＡ共同實(shí)現(xiàn)的總線協(xié)議，所以當(dāng)接收完１５５３Ｂ總線數(shù)據(jù)后可以直接觸發(fā)總線轉(zhuǎn)換程序，從而減少單獨(dú)采用１５５３Ｂ協(xié)議芯片時(shí)對(duì)ＡＲＭ９的數(shù)據(jù)中斷請(qǐng)求時(shí)間，更好地滿(mǎn)足了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。最后這種設(shè)計(jì)與直接購(gòu)買(mǎi)１５５３Ｂ端點(diǎn)協(xié)議芯片相比明顯地減少了硬件成本，有利于１５５３Ｂ總線的推廣和應(yīng)用。

（２）可以兼容不同速率的ＣＡＮ總線，通過(guò)改變初始化配置，可以實(shí)現(xiàn)不同速率的ＣＡＮ總線與１５５３Ｂ總線系統(tǒng)通信。轉(zhuǎn)換卡對(duì)ＡＲＭ９實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)擴(kuò)展，外擴(kuò)了１６ＭＢＦＬＡＳＨ和３２ＭＢＲＡＭ，因此當(dāng)總線兩邊數(shù)據(jù)傳輸速率不匹配時(shí)，就可以把等待發(fā)送的數(shù)據(jù)放到專(zhuān)門(mén)開(kāi)辟的緩沖區(qū)中存放，等待總線空閑時(shí)再發(fā)送，雖然ＣＡＮ總線的最快傳輸速率與１５５３Ｂ相同，但是由于１５５３Ｂ是主從式總線，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)只能傳輸一定的數(shù)據(jù)量，所以他的數(shù)據(jù)傳輸速率有可能還比ＣＡＮ總線慢，因此數(shù)據(jù)的緩沖是兩方面的。

（３）擴(kuò)展了ＬＣＤ接口和串口。在現(xiàn)場(chǎng)可以通過(guò)４０針接口的ＬＣＤ或者上層的計(jì)算機(jī)監(jiān)控兩總線之間的信息交互，還可以通過(guò)串口和ＡＲＭ９的ＪＴＡＧ口實(shí)時(shí)地調(diào)試ＡＲＭ９中的程序。

（４）良好的實(shí)時(shí)性。在接口中，通過(guò)對(duì)ＣＡＮ和１５５３Ｂ總線中斷應(yīng)答優(yōu)先級(jí)的設(shè)置，可以非常好地滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

５、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明，基于ＡＲＭ９的１５５３Ｂ和ＣＡＮ總線轉(zhuǎn)換卡無(wú)論硬件還是軟件都能夠很好地滿(mǎn)足１５５３Ｂ和ＣＡＮ總線對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性以及速率的要求，在一定的命令體系中能夠很好地完成ＣＡＮ與１５５３Ｂ總線之間的信息轉(zhuǎn)換。

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