远动系统RTU的CAN总线适配卡设计.doc

远动系统RTU的CAN总线适配卡设计摘 要： 本文结合一个具体的CAN总线工业控制系统，先分析了CAN卡的功能和体系结构，接着分析了工控机的ISA总线和CAN卡的接口电路设计方法以及CAN总线的收发电路。给出了一个完整远动系统RTU的CAN总线适配卡的硬件电路设计方法。关键词：远动系统；RTU；工控机；CAN总线适配卡；接口电路引言远动系统是指控制设备远距离控制被控对象，以及两者交换信息的一种控制系统。当前的远动系统均是数据采集与监视控制系统，它是以计算机为核心，综合利用计算机技术、通信技术、控制技术等以完成遥控、遥测、遥信、遥调的一种控制系统。远动系统可分为三大部分：调度端、通道、远方终端单元(RTU)。 RTU主要是接受调度端的命令去控制现场的各个被控对象，以及对现场被控对象进行数据监测并将数据送往调度端。图1是一个基于CAN总线的RTU体系结构图。 本文要讨论的是插在工控机ISA槽中的CAN适配卡的硬件设计技术。CAN适配卡的功能和结构智能适配卡插在工控机的ISA扩展槽中，它位于工控机和CAN总线节点之间，本身也是CAN总线系统的一个节点机(主节点)。主要功能是接收工控机的命令，下发给下位CAN总线节点机(RTU的各个功能模块)，并从下位CAN节点机接收现场数据传送给工控机。适配卡的结构见图2所示。工控机的ISA总线和CAN适配卡的接口电路设计要实现PC机和CAN控制器之间的数据传送，必须在PC机和适配卡上的MPU之间建立起双向的数据交换通道。通过ISA总线实现单片机系统与主机之间交换数据有以下两种实现方法：一是静态数据传送。采用并行接口器件8255等，或锁存器如74LS373等构成一字节深度的FIFO。这种方法较为简单，但一次传输的数据量小，只适应数据量小、速度要求不高的场合；二是共用单片机系统外部数据存储器。此时可直接采用集成双端口RAM或通用RAM，加上一些控制逻辑组成双口RAM电路。本设计选择后者。目前市场上常见的双口RAM有IDT公司和Cypress公司的产品，本卡选用2K8位的IDT7132。MCU和双口RAM的接口电路设计将IDT7132的右侧信号按普通接法和MCU相接，具体电路见图3所示。当MCU发出读/写IDT7132的命令时，锁存IDT7132右边的/BUSY-R信号，将此信号送到P10口，然后读P10口，若为1，则表示MCU刚才读IDT7132不存在冲突，读/写有效；若为0，则说明MCU刚才对IDT7132的读/写存在冲突，本次读/写无效，MCU要重新操作。ISA总线和双口RAM的接口电路设计PC机对接口的寻址方式有存储器寻址方式和I/O寻址方式。存储器寻址方式可以有较大的地址空间，可达32K甚至64K，且指令丰富，可以实现快速传送。但由于其选在高端内存块UMB (640K1M范围)，而UMB内存分配已比较拥挤，选择不当就会引起地址冲突导致死机。I/O寻址方式使用专门的指令，指令明确，但一次只能传送一个字节或字。这里采用I/O寻址方式，使用的控制线为和。PC机的I/O寻址范围为64K，有16根地址线。但是主板和OEM生产商生产的I/O扩展卡通常只对地址线A0A9译码，即只定义了其中的1K寻址空间。当I/O指令的地址高6位不同而低10位相同时会选中同一个I/O地址。且PC机内部由于软盘驱动器、串行口、并行口等用掉了一些空间，剩下的空间并不连续，且远远不足本卡双口RAM所需要的2K地址空间，因此必须通过高6位地址来扩展地址空间。扩展地址的方法如图4所示。将A15A0和A10LA0L非对应连接，将可以任意编址的A15A10和A4A0 共11根地址线组成2K的地址空间，与IDT7132的A0LA10L一一相连，将剩下的A9A5作为基地址码，经数据比较器74LS688和地址拨码开关的输入值比较。相等时比较器74LS688的输出有效，也即IDT7132左边的片选端有效。从而可灵活地选择空闲的I/O端口地址。这样构成的地址空间在PC机中是不连续的，各个小段相互隔开。当PC机端访问双口RAM时，应先将物理地址换码，以得到正确的I/O地址。设双口RAM地址为X，则PC机端地址为400HN1+340H+N2。式中N1=X/20H(取整)，N2=X20H(求余)。一般330H360H是用户可以自由使用的I/O空间。这里所加的340H是为了避免与计算机系统占用的资源相冲突。这时PC机端空闲的A9A5=11010，将拨码开关的第一和第三个开关拔到地端。下面对换码公式进行推导。由双口RAM的地址X求出ISA总线上I/O地址的步骤如下：首先，求出双口RAM的低5位(A4A0)和高6位(A10A5)；将X25=32=20H，其余数为低5位代表的值，其商为高6位代表的值。然后，将双口RAM的低5位拼接到ISA地址的低5位上，将双口RAM的高6位拼接到ISA地址的高6位上(A15A10)，再加上拨码开关设定的A9A8A7A6A5，就拼接成16位的I/O地址。最后，若将A9A8A7A6A5指定为11010，则它表示的值是11010，00000B=11，0100，0000B=340H；高6位代表的值是N1210=400HN1；低5位还是N2。所以得出结论，若双口RAM的地址为X，则换到ISA总线的地址为：400HN1+340H+N2 (1)其中N1=X/20H(取整)，N2=X%20H(求余)参照地址变换公式(1)，当要在ISA总线侧按I/O方式写双口RAM的某个单元时，首先要变换成ISA侧的I/O地址，这样在ISA总线侧就可以按写I/O口的方式操纵双口RAM了。CAN总线收发电路图5是一个具体的收发电路。CAN协议控制器用的是SJA1000，光耦用高速6N137，收发器用82C250。设计时要注意以下几点。首先，要根据时钟分频寄存器CDR中CBP的设置而决定RX1的接法：CBP=1(比较器旁路激活)，RX1接地；CBP=0，RX1端接参考电压。其次，要注意斜率电阻的选取，本设计选47KW。最后，CAN总线两端要接120W的平衡电阻。结语本文讨论了CAN总线适配卡的主要硬件电路的设计方法，并且经过了实际产品验证。看门狗电路和复位电路采用MAX706