1 引言

PC／104嵌入式控制PC出現(xiàn)于80年代末，并于1992年形成IEEEP966.1標(biāo)準(zhǔn)。它一方面繼承了PC的所有資源，另一方面又對(duì)PC的各個(gè)方面做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其與IBM PC完全兼容，并具有體積小，功耗低，工作溫度寬，可靠性高等特點(diǎn)；它采用了獨(dú)特的"自棧式"總線連接、模塊化結(jié)構(gòu)，使用起來(lái)靈活方便；它采用面向?qū)ο蟮挠布O(shè)計(jì)方法，使得在PC／104標(biāo)準(zhǔn)上開(kāi)發(fā)的擴(kuò)展模塊具有更強(qiáng)的通用性和更長(zhǎng)的生命期；它以其優(yōu)良的品質(zhì)、高可靠性及模塊化，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、航空、軍事、醫(yī)療、消防設(shè)備、智能、導(dǎo)航、通訊、數(shù)控、自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備、便攜式計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。 在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，往往不是由單個(gè)計(jì)算機(jī)獨(dú)立控制，而是由多個(gè)計(jì)算機(jī)組成通信網(wǎng)絡(luò)共同完成控制的過(guò)程。因此，對(duì)于每一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，除了連接必需的外設(shè)之外，還需要考慮計(jì)算機(jī)之間的通信。

控制器局域網(wǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)CAN)是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。最初，CAN被設(shè)計(jì)用作汽車(chē)中的微控制器通訊，在車(chē)載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成控制網(wǎng)絡(luò)。CAN是一種多主機(jī)方式的串行通訊總線，能夠使用諸如雙絞線、光纖等多種物理介質(zhì)，其中最常用的就是雙絞線。它的基本設(shè)計(jì)規(guī)范是要求具有高的位速率和高的抗電磁干擾性，而且要求能夠檢測(cè)出任何錯(cuò)誤。由于CAN總線具有高實(shí)時(shí)性、卓越性能、高可靠性、獨(dú)特靈活設(shè)計(jì)和低廉價(jià)格，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、控制、智能大廈、小區(qū)安防、交通工具、、環(huán)境監(jiān)控等眾多領(lǐng)域，目前，已被公認(rèn)為是幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用合適的檔次(以功能、性能夠用為標(biāo)準(zhǔn))、高性?xún)r(jià)比、CPU為X86(相當(dāng)于586)、300 MHz的PC／104模塊作為主控單元，以的+作為CAN接口器件和收發(fā)器；以公司的器件作為邏輯控制和譯碼單元。整個(gè)系統(tǒng)共設(shè)計(jì)4個(gè)CAN接口，其中兩個(gè)用于外部遠(yuǎn)距離通訊，工作在5 Kb／s下，另外兩個(gè)用于近距離通訊，工作在1 Mb／s下，當(dāng)然這4個(gè)CAN接口的硬件是完全相同的。另外，系統(tǒng)還擴(kuò)展了一個(gè)5英寸、320×240點(diǎn)陣的單色屏、按鍵和指示燈組成的人機(jī)接口。圖1給出該系統(tǒng)硬件原理框圖。

2.1 I／O端口地址分配表

由于系統(tǒng)在PC／104的基礎(chǔ)上擴(kuò)充了CAN、、指示燈和按鍵等資源，要對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)和操作時(shí)，必須為它們分配地址，但分配的地址又不能與PC／104原有的I／O接口地址沖突，所以分配地址之前，必須搞清楚所選用的PC／104模塊的地址分配表，即搞清楚哪些地址范圍已被PC／104占用，哪些區(qū)域是空閑的。新分配的地址只能占用空閑區(qū)域，否則會(huì)引起端口沖突，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。表1給出PC／104的I／O端口地址分配表。

PC／104總線能訪問(wèn)64 K個(gè)I／O端口，但實(shí)際上只用了1 K端口地址(～3FFH)，其中256個(gè)單元(～OFFH)分配給系統(tǒng)板上的I／O接口器件，其余的768個(gè)單元(100～3FFH)分配給擴(kuò)充卡。當(dāng)然，現(xiàn)在的PC／104功能非常強(qiáng)大，板上集成了許多接口，如：多個(gè)串口、USB、 LAN、GPIO等，它們都要占用端口地址。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，必須以所選用的PC／104為準(zhǔn)，選出一塊空白的地址區(qū)域，對(duì)上述系統(tǒng)資源進(jìn)行編址。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選取地址為180～1BFH。

2.2 中斷源的分配

在數(shù)據(jù)通訊中，數(shù)據(jù)的接收是隨機(jī)的、突發(fā)的，所以通訊方式必須采用中斷接收方式；(數(shù)據(jù)的發(fā)送是可控的，可以采用查詢(xún)方式，也可以采用中斷方式。為此，必須對(duì)CAN的中斷號(hào)進(jìn)行分配。表2給出PC／104的中斷分配表。

由表2可見(jiàn)，IRQ10、IRQ11、IRQ12、IRQ15系統(tǒng)不用，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用這4個(gè)中斷作為CAN的中斷號(hào)。

2.3 設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)資源較多，必須采用完成復(fù)雜的邏輯設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)工具采用提供的MAX+ II工具軟件。圖2示出設(shè)計(jì)的CPLD邏輯原理圖。PC／104的地址總線A9～A3經(jīng)比較器和譯碼器。其中一路輸出接4路輸入或門(mén)的一個(gè)輸入端，再配合低位地址A2～A0、nWR、nRD等信號(hào)，即可得到CANOnWR、CANOnRD、CANOALE等的控制信號(hào)；CAN0中斷輸出信號(hào)經(jīng)反向器接入PC／104的IRQ10。另外，PC／104的數(shù)據(jù)總線D0～D7直接與的AD0～AD7相連，并一一對(duì)應(yīng)(圖2中略)。

由于PC／104的地址總線和數(shù)據(jù)總線是各自獨(dú)立的；SJA1000的地址總線和數(shù)據(jù)總線是分時(shí)復(fù)用的，所以它們之間不能直接相連，必須通過(guò)邏輯控制，再配合軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)讀／寫(xiě)操作。

圖2只給出1路CAN接口的邏輯原理圖，3路原理與其相同。對(duì)SJA1000的操作方法是：首先，對(duì)地址為CAN0首地址+0(A2A1A0=000)的端口進(jìn)行寫(xiě)操作(nWR為低，有效)，CAN0ALE為高，有效，此時(shí)復(fù)用的地址／數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)被視為地址信號(hào)，進(jìn)入SJA1000內(nèi)部鎖存器；然后，對(duì)地址為CAN0首地址+1(A2A1A0=001)的端口進(jìn)行讀或?qū)懖僮?nRD／nWR為低，有效)，CAN0ALE為低，上述中的地址信號(hào)已被鎖存，此時(shí)復(fù)用的地址／數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)被視為數(shù)據(jù)信號(hào)，這樣即可完成對(duì)SJA1000的各個(gè)寄存器和緩沖區(qū)讀或?qū)懖僮?。另外，譯碼器還要輸出對(duì)、指示燈輸出、按鍵采集等電路的片選信號(hào)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

為方便軟件調(diào)試，軟件開(kāi)發(fā)和運(yùn)行的操作系統(tǒng)采用DOS6.22；軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Turbo C++／ C++編譯器。

3.1 軟件流程圖

圖3a給出采用模塊化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件流程圖。其中系統(tǒng)初始化模塊負(fù)責(zé)完成對(duì)系統(tǒng)的中斷、時(shí)鐘、I／O端口、串口、CAN接口等資源的配置；LCD顯示界面初始化模塊負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的工作界面顯示；CAN發(fā)送呼叫模塊通過(guò)CAN-Bus呼叫各子模塊，各子模塊在收到呼叫命令后，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，同時(shí)主機(jī)也可將系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)或動(dòng)作指令發(fā)送給各子模塊；CAN接收數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)處理收到的各種數(shù)據(jù)；鍵盤(pán)采集處理及LCD顯示刷新模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)采集和處理鍵盤(pán)命令，并通過(guò)LCD顯示出系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)果和各種狀態(tài)信息。圖3b給出系統(tǒng)中斷服務(wù)子程序，包括4個(gè)CAN中斷服務(wù)子程序和定時(shí)中斷服務(wù)子程序等。

3.2 軟件代碼

在軟件代碼中，中斷向量的和PC／104對(duì)SJA1000的操作比較重要。下面以CAN0為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

3.2.1中斷向量的

3.2.2 PC／104對(duì)SJA1000的操作

由于篇幅有限，其它子程序不再詳述。

4 具體應(yīng)用結(jié)果

采用該方案設(shè)計(jì)了鐵路道岔融雪系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的PC／104子系統(tǒng)多達(dá)10個(gè)以上；各子系統(tǒng)的最遠(yuǎn)距離達(dá)7～8 km，它們都以遠(yuǎn)距離、低速的CAN-Bus與車(chē)站中央控制系統(tǒng)相連。每個(gè)以PC／104為核心的子系統(tǒng)中都有電流采集模塊、電壓采集模塊、軌溫采集模塊、I／O模塊等，它們都以近距離、高速的CAN-Bus與PC／104模塊相連。另外，系統(tǒng)還可擴(kuò)展、無(wú)線模塊。這樣可以組成了一個(gè)功能強(qiáng)大的分布式控制系統(tǒng)。目前，正在對(duì)系統(tǒng)的各功能、技術(shù)指標(biāo)等進(jìn)行測(cè)試。由于系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)合理，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，因此取得了較好的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)PC／104的檔次很多，其CPU從低端的386、486、X86…一直到高端的 III，IV等，應(yīng)有盡有，運(yùn)行的操作系統(tǒng)可以是DOS、、WinCE，也可以是，所以以PC／104平臺(tái)來(lái)搭建控制系統(tǒng)具有廣泛的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性。