基 于 CAN 总 线 服 装 吊 挂 流 水 线 通 信 系 统 的 研 究 龚 曦 武 汉 理 工 大 学
（申请工学硕士学位论文）
基 于 CAN 总线服 装 吊 挂 流水线通信系统的研究
培养单位：自动化学院 学 科 专 业 ： 检测技术与自动化装置 研 究 生：龚 曦
指 导 老 师 ： 张 素 文 副 教授
2008 年 4 月
独 创 性 声 明
本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 均已在论文中作了明 说明并表示了谢意。 签 名： 日 期：
关于论文使用授权的说明
本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的论文在 后应遵守此规定)
签 名：
导师签名：
日 期：
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分类号 UDC
密 级 公开 学校 10497
学
题 英 题
位
论
文
目 基于 CAN 总线服装吊挂流水线通信系统的研究 文 目 Research on Clothing Hanging Pipieline Communication System based on CAN 龚 曦 职称 副教授 学位 硕
研究生姓名 姓名 张素文 指导教师 单位名称
武汉理工大学
邮编 430070
申请学位级别 硕 学科专业名称检测技术与自动化装置 论文提交日期 2008 年 4 月 论文答辩日期 2008 年 5 月
学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期 答辩委员会主席 评阅人
2008 年 4 月
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摘
要
随着我国经济的迅猛发展，服装企业 经历着深刻的变革。以捆包分包 方式为代表传统生产体系，由于生产效率低、市场应变能力不足，逐步被灵活 性高、适应能力强的服装吊挂生产系统所替代。本课题以服装生产为研究背景， 在保留业已存在的流水线传动设备的基础上，引入现场总线技术构建了一套完 整的通信系统，包括生产车间现场总线网络、总线节点设备和监控室工控机的 总线适配设备。扩展了服装流水线的应用，具有良好的应用前景。 论文首先介绍了服装吊挂流水线的结构，按照组成部件逐一叙述了各自的 功能，并着重强调了通信系统对于流水线的决定性作用。在此基础上构建了流 水线通信系统的总体设计方案，包括现场总线类型的选择，通信系统硬件设计 方案等。 接着， 对通信系统的硬件进行了详细的设计。 确定以 CAN 作为系统的传输 总线。在总线设备节点设计上，以 ARM 微处理器 LPC2212 为核心部件，具有 独立的电源模块、复位模块、显示模块、时钟电路、JTAG 调试电路和 CAN 总 线接 路。其中，CAN 总线接口电路是设 重点，除了常规的 CAN 总线 控制器件和 CAN 收发器件外， 还针对生产车间复杂的电气环境设计了信号隔离 电路和静电放电防护电路，增强了设备的适应能力和稳定性。在监控室工控机 的总线适配设备的设计上，采用 PCI 接口与 CAN 总线相连，分别设计了 PCI 接口电路、CAN 接口电路和 PCI 与 CAN 总线的互连电路。此外，对适配 PCI 空间参数和局部空间参数进行了详细的配置。 在通信系统的软件设计方面，针对总线节点设备开发了通信模块程序，主 要有 CAN 控制器的初始化程序、CAN 报文发送和接收程序。针对工控机总线 适配设备开发了 WDM 驱动程序和功能函数动态链接库程序。主要包括：设备 打开函数、关闭函数、初始化函数、总线校时函数和工作站计划产量分派函数。 然后对设备驱动程序进行了调试。 随后，结合通信系统的功能分析了服装吊挂流水线的运转流程，并编写了 上位机界面通过调用动态链接库程序实现对适配设备的操作。 最后对全文进行了归纳和总结，提出了在设计过程中遇到的问题和 办 法，并就进一步对通信系统进行优化提出了建议。 关键词：通信系统，服装吊挂流水线，工作站智能终端机，CAN 总线，PCI
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ABSTRACT
Recently, with the development of national economy, the clothing industry is unexceptionally experiencing major variation. The mode of clothing production has shifted from volume-produce to small scale order form and the production cycle is sharply shortened. The traditional method has gradually shown its inferiority in efficiency, administration and the ability to apply to market, as a result is replaced by clothing-hanging pipeline which is more adaptive and flexible. The subject preserves the transmission device of clothing hanging pipeline and proposes a complete communication system including spot field bus network, field bus node device and the adapter for monitor PC. This dissertation first introduces the structure of clothing hanging pipeline, then discribes the function of each component and the role that communication system palys. Afterwards, makes detailed description on design of hardware and implementation of system software. On design of work station intelligent terminal, chooses CAN as communication network, adopts the high performance ARM core microprocessor LPC2212 and develops power unit, reset unit，display unit and CAN interface circuit. Adds signal isolation device to decrease the lnfluence of common mode voltage. Meanwile uses feasible bidirectional protection equipment to reduce vast scale voltage fluctuation such as lightning shock and ESD.On design of adapter for monitor PC, applies PCI as the interface bus between PC and CAN and makes use of the PCI bus to realize the PCI interface circuit and develops the inter connection of two different bus. Implements the framework of intelligent terminal communication program, develops the driver and fuction program DLL for monitor PC adapter. Discribes the flow of pipeline operation in combiantion with communication sysytem. Finally, summarize the whole dissertation and ists a series of problem and solution we met in the design and proposes some suggestion on system optimization. Key Word: communication system, clothing-hanging pipeline, work station intelligent terminal, CAN bus, PCI
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目
第1章
录
绪论 ......................................................................................................................... 1
1.1 课题来源及研究意义 .....................................................................................1 1.2 国内外发展现状 .............................................................................................3 1.2.1 国外发展现状 .......................................................................................3 1.2.2 国内发展现状 .......................................................................................4 1.3 本文的主要工作和安排 .................................................................................4 1.3.1 本文主要工作 .......................................................................................4 1.3.2 本文的内容安排 ...................................................................................5
第2章
系统总体设计 .................................................................................................... 6
2.1 服装吊挂流水线的结构 .................................................................................6 2.2 课题设计内容 ...............................................................................................7 2.3 系统总体方案概述 .......................................................................................7 2.3.1 现场总线的选择 ...................................................................................7 2.3.2 通信系统结构 .......................................................................................8 2.3.3 系统硬件方案概述 ...............................................................................9 2.4 本章小结 .......................................................................................................11
第3章
3.1
系统硬件设计 .................................................................................................. 12
工作站智能终端机设计 .............................................................................12 3.1.1 微处理器简介 .....................................................................................12 3.1.2. 电源电路 ............................................................................................12 3.1.3 JTAG 调试电路....................................................................................13 3.1.4 复位电路设计 .....................................................................................14 3.1.5 显示电路设计 .....................................................................................14 3.1.6 时钟电路设计 .....................................................................................15 3.1.7 CAN 接口电路设计.............................................................................16 3.1.8 CAN 总线 ESD 防护方案 ...................................................................18 3.2 CAN 适配 件设计................................................................................20 3.2.1 PCI 总线技术 .......................................................................................20 3.2.2 PCI 总线接口方案设计 .......................................................................23 3.2.3 PCI9052 简介 .......................................................................................23 3.2.3 适配卡原理设计 .................................................................................26 3.2.4 PCI9052 寄存器配置 ...........................................................................29 3.2.5 硬件调试及注意事项 .........................................................................36 3.2.6 CAN 适配卡成品展示.........................................................................39 3.3 本章小结 .......................................................................................................39
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第4章
4.1
系统软件设计 .................................................................................................. 40
工作站智能终端机软件设计 .....................................................................40 4.1.1 MCP2515 初始化程序.........................................................................40 4.1.2 CAN 报文接收程序.............................................................................43 4.1.3 CAN 报文发送程序.............................................................................44 4.2 CAN 适配卡 WDM 驱动程序设计..........................................................45 4.2.1 WDM 驱动程序开发原理及工具简介 ...............................................45 4.2.2 WDM 驱动程序设计 ...........................................................................47 4.2.3 接口函数动态链接库设计 .................................................................56 4.2.4 驱动程序的安装和调试 .....................................................................59 4.3 本章小结 .......................................................................................................60
第5章
5.1 5.2 5.3 5.4
服装吊挂流水线运作流程及监控软件实现................................... 61
服装吊挂流水线运作流程 ...........................................................................61 上位机监控软件实现 ...................................................................................61 动态链接库的调用 .......................................................................................62 本章小结 .......................................................................................................64
第6章
总结与展望 ....................................................................................................... 65
6.1 全文总结 .......................................................................................................65 6.2 系统的不足和展望 .......................................................................................66
参考文献 .................................................................................................................................. 68 作者在攻读硕 位期间发表的学术论文 ........................................................ 71 致 谢 .................................................................................................................................. 72
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第1章
1.1 课题来源及研究意义
绪
论
随着我国经济发展的脚步不断加快,我国国民在服装消费方面,无论是消费 结构还是消费方式都有了很大的变化。消费者穿 注重个性表现 ,时尚在消 费者心中的分量越来越重 ,对服装的质量要求也越来越高。服装消费的这种变 化也直接影响了服装生产模式的变化 ,其主要表现如下:服装的花色、 款式向着 多品种方向发展；工厂订单的批量一再减少 ,形成小批量生产趋势；服装流行 周期的缩短 ,迫使服装生产周期也相应缩短。如此的市场变化要求服装生产企 业具有快速反应能力和现代化的 水平，要提高服装生产效率，除人的因素 以外，设备的功能是保质保量及时完成生产任 重要条件。现存的服装生产 方式或多或少地不能够适应我国服装市场的变化，逐渐在市场竞争中被淘汰。 现存的生产方式主要有以下几种： （1）线型传送带生产方式 此种方式是将整个加工过程分为若干个简单工序， 根据各工序的作业时间， 合理配备人员和机台，使各工序间基本达到平衡。 其特点是：生产过程具有较高的连续性、平行性、比例性、节奏性；不用捆 叠，简化了运输；缩短产品的生产循环周期。减少在制品的积压，节省了工作 地面积；工序平 格，便于管理，工作效率高。然而工作效率较低的工人会 使生产流水线出现堵塞现象，系统容易失去生产平衡。另外，如果产品的缝制 工艺出现少许变动，就需要将整条流水线重新布置，耗时耗力，灵活性低，只 适用于大批量的较固定的产品生产。 （2）捆扎式生产系统 此种方式是将服装裁片按一定数量分成捆，一般 20 件左右为一捆，分发到 各个工位上，每个工位将一捆加工完后，再送往下一个工序。 其特点是：减少了裁片的传递次数；各工位排列较灵活，且由于每个工位 都各自独立进行，并不受其他工序限制，则不易发生堵塞现象，适用于款式品 种的变换，目前我国大部分服装企业均采用此种生产方式。但在管理方式上， 采用捆扎式系统进行生产的企业，大多数是按经验安排生产，整条流水线的作
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业平衡完全通过人工在现场进行调控，生产信息和人员管理信息均由工票（或 其它手工方式）进行统计。资料整理、编制表格都由专人负 因此企业内部 生产计划往往不合理，调度混乱，生产数据不准 处理时效低，对市场应变 能力差。此外，由于采用捆包堆放的暂存方式，在每一个作业人员的四周都堆 放着待车缝或已车缝完毕的裁片，生产现场比较拥挤、杂乱、生产品质不易控 制，容易出现裁片配对错误、遗漏等情况。车缝人员劳动强度大、有压迫感， 心情不舒畅。总体来说工序平 严格，生产周期长，工作效率低。 （3）模块式生产系统 此生产系统是将工人组成一个独立的组别，负 成整件服装的加工或一 个完整体系的缝制作业。此系统的工位设置较少，一般 10 个工位左右，围成一 个 U 形或半圆形的工作站，每个工位称为一个模块，模块通常由 2～3 台加工 设备组成，一个模块由一个工人以站立或坐式操作。 其特点是：具有较高的灵活性和可变性，能够对不同款式服装的生产作出 快速反应，很方便地变换模块结构及模块的机台组合，有利于产品品种和批量 的转换；减少传统的“捆扎”和“解捆”的工作，工时平 单容易，工位时间利 用率高，缩短了生产周期，提高了工作效率；强调群体的互助性生产，实行包 产到组， 到人，每个工人均是质检员，大大降低产品返修率，提高了产品 质量；采用即时生产原则，降低了生产线在制品负荷量，简化了生产 工作。 模块式生产系统适用于任何款式服装的生产。由于它具有生产周期短、产品质 量高，同时又具有高度灵活性和快速反应性的特点，更适合高质量短周期服装 的生产。模块式生产系统根据工人的操作方式分为站立式和坐式操作，而对于 多工序操作来说，站立式更能快速变换机台，工作效率高。然而要适合站立式 操作需要有特殊的工作台，传统缝纫机台已不适用，因此自动化程度高，实现 多功能、多工序组合的新型缝纫设备更加适应生产系统。另外，此种生产系统 的一个模块的设备费用大约为 1 万美元，对于我国的企业来说，也不符合实际 情况[1-3]。 由此， 具有更多优势的自动吊挂流水式生产系统便逐渐占据行业主导地位， 这种生产系统从结构上看是一套裁片传输系统。它给服装行业的生产方式带来 了巨大的变革，有效地 了制作过程中作业比例时间大、生产周期长、成衣 产量和质量难以有序控制等问题，对服装企业小批量、多品种、短周期的市场 需求，形成快速反应能力具有十分重要的作用。自动吊挂流水线生产系统适用
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于任何款式服装的生产。该系统将裁片单件配套传输，避免了传输过程中的折 皱、污损、错号，保证了服装的加工质量，同时工艺编排方便灵活，非常适用 于多品种小批量的生产[4]。最早的自动吊挂流水式生产系统只是在车缝工位的 附近架设悬空的轨道，将待加工的裁片循环传送，对应工序的车缝工人在取得 裁片后对其进行加工，完毕后再将其送到主轨道上，以便下一工序的工人进行 加工。主要的目的是减轻用人力进行物料搬运的负担。 早期的服装吊挂流水线完全采用机械部件完成加工裁片的传输和生产数据 的记录，在生产管理和信息共享方面基本处于很低的水平，生产效率低下，存 在着严重的资源浪费和作无用功现象。本课题的研究意义就是在于将现场总线 技术与服装吊挂流水线系统结合起来，将其数字化、智能化，使得生产车间的 各工作站之间能够信息互通，工控室监控机能够适时实时检测控制流水线并进 行远程数据传输。最终改善服装生产企业的 水平，提高生产效率[5]。
1.2 国内外发展现状
1.2.1 国外发展现状
服装吊挂流水线的研究最早在国外开始。1967 年，瑞典一家生产衬衫的服 装厂经营者，同时也是一位机械工程师 Inger Davison,凭借他对服装流水线的熟 悉，以及在机械方面的专业经验，率先利用机械传动的方法实现了流水线上裁 片的传动和有关生产信息的记录，这就是全世界第一套服装流水吊挂系统 ETON2000 吊挂系统，Davison 也由此创建了专业生产服装吊挂系统的 ETON 公司。作为服装流水线领域的先驱者 ETON 公司在 1983 年推出了第二代 ETON2001 系统， 1987 年又研制成功第三代 ETON2002 系统， 年代后期又推 90 出了 ETON4000 系统。继 ETON 公司之后，日本的兄弟公司、三菱公司、重机 公司，美国的格伯公司，德国的杜克普爱华公司和艾斯特系统公司，法国的力 克公司、西班牙的艾维公司也先后研制出各自的吊挂系统，并不断地进行机械 传动部件的改进。但随着服装企业规模的 和对于生产 水平的要求，缝 制车间不单单只存在车缝设备，一些高效的传感器设备和监控设备也被引入车 间当中，如：红外测温设备、视频摄像装置、RFID 设备等，这些设备的传输信 息均为数字信号，原有的服装流水线不可能将这些设备纳入到同一体系中来，
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生产企业势必需要投入资金组建新的数据传输网络。而且即便这样还不能做到 工作站与其它设备的数据共享。所以如何在不增加过多成本的条件下，将工作 站和各种 设备纳入同一个管理网络当中，成了服装企业的首要目标。现场 总线技术的发展 填补了这一空白，它提供了一个有着良好适应性和较快传 输速度的数字网络，将所有的设备连接起来。现阶段出现了很多高速的总线类 型， Profibus、 如： Profinet、 Link、 CC Ethernet Power Link、 SERCOSⅢ、 Modbus-RTP 等等。上述专业生产服装吊挂流水线的企业也适时地将这些总线引入其中，满 足不同生产规模和要求的服装企业，取得了良好的经济效益。
1.2.2 国内发展现状
服装吊挂系统早期只是在欧美的一部分国家和地区得到使用，但随着越来 越多的服装企业认识到使用服装吊挂系统的优越性，该技术正在愈来愈多地被 世界各国服装企业所采用。 我国于 1987 年 2 月引进了第一套服装吊挂生产系统 （ETON 2001 系统） ，到目前为止已有 20 年左右的时间。经过这 20 年的发展， 全国已有一些大型企业配备了吊挂系统， ETON 系统在我国较大的客户就有： 像 汉帛（国际） 、雅戈尔、香港 TAL 等，他们已在充分地利用吊挂系统进行大规 产,并一直处于较好的使用状态。 但对于服装吊挂流水线的生产制造直到 90 年代末都很少有企业问津。 进入 21 世纪后，随着我国服装行业的快速发展，国内也出现了一系列服装 吊挂系统的制造厂家，如：广州银寰科技发展有限公司、杭州爱科电脑技术有 限公司、北京日升天辰有限责任公司、中国人民解放军第五七二零工厂、三禾 公司、奥乃实集团等。这些厂家紧随着欧美、日本等发达国家制造商的步伐， 不断改进和完善产品设备，弥补了国内同类产品的空白。
1.3 本文的主要工作和安排
1.3.1 本文主要工作
本课题旨在研究设计一种适用于现 装吊挂流水线的通信系统。设计难 点在于主控机与工作站信息交换的实现，因此，设计了一块基于 PCI 总线的数 据适配卡，将生产车间现场总线引入主控机，实现缝制车间现场总线网络与主
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控机 PC 总线的连通。 论文完成的主要工作包括： （1）研究了服装吊挂流水线的系统结构、模块功能、工作流程等内容； （2）介绍了服装吊挂流水线系统的现场总线基础知识，设计了完整的通信 方案，包括总线类型选择，硬件软件具体设 节。 （3）根据系统设计方案设计了工作站智能终端机通信模块的硬件电路，主 要包括微处理器电路、现场总线接口电路及电源电路、显示电路等外围功能电 路。并设计了通信模块的软件程序，包括现场总线控制器的参数配置程序、总 线数据的传输和接收程序； （4）设计了工控机现场总线适配 硬件电路，包括 PCI 总线接口设计， 现场总线的接 计以及两种总线的互连电路，开发了适配卡设备的驱动程序 及应用程序动态链接库程序； （5）编写了上位机操作界面，对现场总线适配设备进行了调试。
1.3.2 本文的内容安排
第一章 绪论。首先提出课题的现实背景和来源，并在此基础上提出本课题 的研究意义，接下来讨论其国内外发展现状，最后总结了本文的主要工作。 第二章 通信系统总体设计。介绍了服装吊挂流水线结构，然后提出了通信 系统的总体设计方案，包括现场总线的选择和硬件设备功能芯片的选型。 第三章 通信系统硬件设计。 构建了工作站智能终端机现场总线通信模块硬 件电路，包括微处理器电路、现场总线接口电路及外围功能电路，此外还设计 并实现了监控室工控机使用的现场总线适配 件电路。 第四章 通信系统软件设计。 设计了工作站智能终端机现场总线通信模块软 件，包括总线控制器初始化程序模块及报文发送接收模块。然后详细设计了现 场总线适配卡设备的驱动程序及应用程序动态链接库程序。 第五章 服装吊挂流水线运作流程和监控软件的实现。 结合通信系统分析了 流水线运转流程，介绍了监控软件的细节，包括实现功能、流程等，最后说明 了监控软件与应用程序动态链接库的通信方法。 第六章 总结与展望。对全文进行了总结和建议，结合自己所做的工作和系 统本身的特点，对存在的不足提出了一些建议和完善的思路，并对服装吊挂流 水线的发展作出了一些展望。
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第2章
2.1 服装吊挂流水线的结构
系统总体设计
图 2-1
服装吊挂流水线结构图
如图 2-1 所示为服装吊挂流水线结构图，它主要由主轨道和工作站组成。 主轨道负 夹持裁片或半成品的吊架循环送至各个工作站进行加工，它的长 短以及是否需要转弯可灵活地由工作站的数量和生产场地决定，不论是在一个 楼面或在不同楼面的流水线，各主轨道可以通过架桥得以延伸和连接。主轨道 上有马达配合运输链带动吊带作循环传送，当中央控制器决定吊带应进入某一 工作站进行工序处理时，该吊架就从主轨道流入此工作站的内轨。经各工作站 处理完的吊架会回流到主轨道流向下一道工序工作站。工作站位于工人的生产 工位附近，包含有内轨、上架盒、下架盒、喂入喂出传动链、吊架、智能终端 机甚至读码器等设备。车缝人员在各工作站内完成整条流水线的各道工序。每 个工作站均由数字表明站号，无论此工作站的用途是装货、车缝、品检等，控
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制系统只根据这些站号来识别各工作站。有些吊挂流水线的传送吊架有 标 志，配备有读码器的工作站可对喂入喂出传动链处理的每一个吊架进行辨识， 并将资料回馈给监控室主控机。内轨可以是单轨、双轨或多轨，主要视工序安 排和生产场地而定。喂入喂出传动链上有一裁片夹持位置，它指的是当下工序 车缝工要处理的那个夹持裁片或半成品的吊架位置。吊挂系统的目的之一就是 让每一个车缝工以最舒适简洁的动作，最大限度的发挥功效，夹持位置的设置 必须符合人体工学和作业需要，方便操作员拿取。可以通过工作站内的智能终 端机进行调节。智能终端机的功能十分强大，可对所有与工作站相关的参数进 行设置，并可通过显示界面了解工作站的运行情况和生产有关信息。但要实现 上述的裁片传动、信息流通共享、数据存储等功能通信系统是必不可少的。通 统使孤立的工作站智能终端机才能形成网络，实现流水线的有效运转[6]。
2.2 课题设计内容
本课题的目的是在保留原有服装流水线主轨道和工作站传动装置的情况 下，设计一套适合于该吊挂系统的通信系统。通信系统以现场总线作为传输介 质，以工作站智能终端机为总线节点、监控室工控机作为通信终端监控现场总 线。本文的设计任务主要是组建服装生产现场总线网络，设计智能终端机设备 以及工控机现场总线适配卡设备，保证各个工作站之间以及工控机与工作站之 间即时准确的信息交换。
2.3 系统总体方案概述
2.3.1 现场总线的选择
现场总线（Field Bus）是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的 自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信数据总线，可将所有的现场设备 （传感器、执行机构、驱动器等）与控制器用一根电缆（光缆或无线）连接在 一起，形成现场设备级的数字化通信网络，完成现场状态监测控制、远程传输 等功能。 现阶段几种较有影响的工业现场总线主要包括：(a) HART 协议，由美国
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Rosemount 公司于 1986 年推出，是一种兼容 4-20mA 的模拟信号和数字调制信 号的总线协议； Bitbus 总线， (b) 是由 Intel 公司推出的一种低成本的串行控制总 线，物理层使用 EIA485 标准，数据链路层采用 IBM 的同步数据链路控制标准 SDLC；(c) Profibus，由欧洲 ISP 组织推出，它是一种多主多从的令牌网络，物 理层采用 EIA485 标准，数据链路层采用分布式令牌协议；(d) Lonworks，由美 国 Echelon 公司推出，采用 Lontalk 通信协议，该协议遵循 ISO/OSI 参考模型， 提供了 OSI 所定义的全部层服务；(e) CAN 总线，是一种对等的总线网，其物 理层符合 ISO DIS 11898 标准，数据链路层采用了载波监听冲突检测机制，并 增加了优先级控制，最高传输速率为 1Mbps，最大传输距离为 10Km[7]。 以上几种总线中，HART 数字信号的传输速率有限，不能接入太多的仪表， 一般在 10 个左右， 这限制了它的应用； Bitbus 总线是多主多从结构的总线形式， 不利于系统的扩展；Profibus 的最远通信距离只有 4.8Km，Lonworks 功能强大， 但价格比较昂贵[8]。根据服装吊挂系统的通信要求和各种总线的功能比较，无 论是从距离上看还是多点控制上看，CAN 总线都十分适合，且 CAN 总线产品 价格较低， 有利于降低成本， 符合设计要求， 因此采用 CAN 总线应用于本系统。
2.3.2 通信系统结构
图 2-2
服装吊挂系统通信系统结构图
如图 2-2 所示，通信系统由 CAN 总线适配卡、工作站智能终端机、CAN 总线网络组成。CAN 总线以屏蔽双绞线的形式展开，分别是 CAN_L、CAN_H，
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采用两条线的差分电压传输信号。将工作站智能终端机通过 CAN 收发器挂在 CAN 总线上，在发生数据交换的时候，由智能终端机 CAN 总线控制器内 CAN 协议模块将差分电压信号转换成比特流，供微处理器读取并进行有关处理[9-10]。 工控机是整个通信系统的控制主导， 它通过总线适配卡， CAN 总线上的数据 将 引入 PC 机，了解每个工作站智能终端机的运转情况，并可通过人机界面向总 线网络中任一工作站发送控制指令，实现流水调度。
2.3.3 系统硬件方案概述
（1）工作站智能终端机设计 防浪涌芯 片 电源模块 复位模块
CAN 总线 收发器 CAN 总线 控制器
ARM 微处理器 LPC2212
JTAG
LCD 显示
图 2-3
智能终端机结构图
智能终端机结构图如图 2-3 所示，由微处理器、电源及复位模块、显示模 块、 CAN 总线接口模块组成。 选择 PHILIPS 公司的 16 位 RISC 处理器 LPC2212 为处理器、带 SPI 接口器件 MCP2515 为 CAN 总线控制器、ADUM1201 为信号 隔离芯片、TJA1050 为 CAN 总线收发器、NUP2105L 为 CAN 总线浪涌保护芯 片、深圳拓普微科技公司的 LM12864L 为显示模块。 在设计初期，曾反复考虑过选择什么型号的微处理器。微处理器作为设备 的核心器件，对设备的功能实现、性能优劣有着至关重要的意义。选择微处理 器时本文考虑的主要因素有以下几点： ① 微处理器的性能及外围功能 选择处理器时并不以速度快、处理位数高为最优考虑，而是要充分分析系 统的功能需求，以最适合系统功能的实现为最优；此外最好能具有较丰富的外 围功能，以便留有对系统进行功能扩展的余地。
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② 开发工具和软件支持 仅有一个好的微处理器，没有较好的软件开发工具支持，会大大增加开发 的难度，增大设计失败的可能性。 ③ 功耗及成本 现在电子行业的趋势是无论设计什么系统都要求高性能、 低功耗， 相应的， 微处理器和各种功能器件的制造也逐渐按照这个方向发展。而降低成本是任何 一个开发都必须遵循的原则[11-15]。 目前市场上主流的微处理器有单片机、DSP、ARM 等。智能终端机设计中 微处理器偏重于实现控制功能， 所以将偏重于算法的处理器芯片 DSP 排除在外。 从根本上说，单片机足以完成设计功能，且在成本上具有很大优势，但考虑到 其较单调的外围功能和过慢的速度，也将其排除在外。 ARM 系列芯片是目前市 场上最为流行的微处理器，已占据了 60％以上的市场份额。它具有非常高的性 能、极为丰富的外围设备、众多的芯片种类、大量的开发工具和丰富的第三方 资源，更重要的是它的价格比较低，ARM7 系列的芯片通常都在 100 元左右， 如 PHILIPS 公司的 LPC2134 只需要 40 元，几乎与高性能的单片机不相上下。 最终 采用 PHILIPS 的 LPC2212 为微处理器。虽然它相较 LPC2100 系 列芯片价格稍高，但其拥有分开专用的数据和地址总线，能够极其方便地与多 种功能器件接 LPC2100 系列芯片引脚全为双向 I/O 在某些场合不免涉 及到时序的模拟，设计上稍显麻烦。 （2）工控机 CAN 总线适配 设计 EEPROM CAN 收发 器 抗 ESD 模块
PCI 接口控 制器
PCI 总 线
电气隔离
微处理器
CAN 控 制器 CAN 适配 构图
CAN 总线
图 2-4
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CAN 适配 构图如图 2-4 所示， 由工控机接口模块、 CAN 总线接口模块 组成。经过再三考虑，决定采用 PCI 总线作为工控机的接口总线。选择 PLX 公 司的 PCI9052 作为 PCI 总线的控制芯片，Intel 公司的 82527 作为适配卡 CAN 总线控制器。此外，信号隔离和防浪涌模块均与智能终端机采用相同方法实现。 工控机接 线的选择也是极其重要的，其结果直接影响设 难易程度 和系统的整体性能。一般说来，PC 机的总线接口主要包括机内总线，如：ISA、 EISA、PCI、AGP，机外总线，如：IDE/ATA、SATA、SCSI、USB、IEEE1394 等， 它们各有其优势和特定的外部应用环境。 考虑到 CAN 适配卡是装载在监控 室内的工控机上，并没有非常苛刻的外部使用环境，故排除机外总线。机内总 线中，ISA、EISA 已经完全跟不上 CPU 发展的脚步。在使用该总线的计算机系 统中，硬盘、显卡和其他外围设备只能慢速且狭窄的数据瓶颈来发送和接收数 据，造成整机的性能受到严重影响，所以也不在本文的选择范畴内。AGP 总线 有着极高的传输速率同时设备造价也相当高，一套芯片组的价钱已差不多可比 得上一颗 Pentium Pro CPU 的价格。由于服装吊挂系统的通信速率不高，采用 AGP 总线反倒是浪费。最终 PCI 作为工控机接 线，其特点如下： ① 传输速率高： 总线以 33MHz 的时钟频率操作， PCI 采用 32 位数据总线， 支持多组外围附件及附加卡，数据传输速率高达 132MB/s，远远超过 ISA 总线 5MB/s 的速率。 ② 全自动配置与资源分配：PCI 设备内有设备信息寄存组为系统提供设备 信息，可实现即插即用。 ③ 采用总线主控和同步操作：总线主控是大多数总线都具有的功能，目的 是让任何一个具有微处理器的外围设备暂时接管总线，以加速执行高吞吐量、 高优先级的任务。 ④ 不受处理器限制：PCI 独立于处理器的结构，形成一种独特的中间缓冲 器设计方式，将中央处理器子系统与外围设备分开。还可以保证处理器技术的 变化不会使个别系统的设计显得过时。
2.4 本章小结
本章首先介绍了服装吊挂流水线的结构，在此基础上概述了通信系统的设 计方案，包括现场总线选择和硬件设计方案。
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第3章
系统硬件设计
3.1 工作站智能终端机设计
3.1.1 微处理器简介
LPC2212 是基于一个支持实时仿真和跟踪的 16 位 ARM7TDMI-S 微处理 器，包含有 128KB 嵌入的高速 Flash 存储器、多个 32 位定时器、8 路 10 位 ADC、PWM 通道以及多达 9 个外部中断等资源，是一款性价比很高的嵌入式 微处理器[16]。
3.1.2. 电源电路
LPC2212 需要双电源供电，分别是标准值为 1.8V 的 CPU 操作电源和标准 值为 3.3V 的 I/O 作电压。 为此首先使用变压器将服装生产现场提供的 220V 交流电转换成交流电，采用桥式整流电路进行整流得到 24V 直流电后，通过 DC/DC 模块 B2405S 得到 5V 直流电源，为 LCD 显示屏供电。将 5V 电源通过 SPX1117M-3.3 芯片，得到稳定的 3.3V 电源，为 LPC2212 的 I/O 电。将 5V 通过 SPX1117M-1.8 得到稳定的 1.8V 电源，作为 CPU 操作电压。为了降低噪 声和出错几率，LPC2212 具有独立的模拟电源和数字电源引脚，采用电感作为 电源隔离元件，将数字高频噪 离。电源电路原理图如图 3-1 所示。
图 3-1
电源电路原理图
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SPX1117 是 SIPEX 公司出品的低压差(LDO) 电压调节器，其特点是输 出电流大，最高可达 0.8A 稳定输出电流，输出电压精度高，一般在±％1 以内， 同时还具有电流限制和热保护功能，在消费电子产品中被广泛应用。为了 SPX1117 的稳定性，输出端至少需要一个 2.2uF 的钽/陶瓷电容或 10uF 的铝电 容。本设计用到该系列当中 SPX1117M-3.3 和 SPX1117M-1.8 两款芯片。 SPX1117M-1.8 和 SPX1117M-3.3 参数说明如表 3-1 所示。 表 3-1 型号 SPX1117M-1.8 SPX1117M-3.3 SPX1117M-1.8 和 SPX1117M-3.3 参数说明 条件 10mA≤IOUT≤800mA 3.2V≤VIN≤12V 10mA≤IOUT≤800mA 4.7V≤VIN≤12V 3.234 3.300 3.366 V 最小 1.764 典型值 1.800 最大 1.836 单位 V
3.1.3 JTAG 调试电路
LPC2212 芯片是基于 ARM7TDMI-S 核的微处理器，因此能够提供符合 IEEE1149.1 的 JTAG 测试接口，主要用于测试装配在印刷电路板或者其它版面 上的集成电路互连性、测试集成电路自身的功能、器件正常工作时观测或修改 引脚状态。 JTAG 基本原理是在器件内部定义测试访问 通过专用的 JTAG 测 试工具对内部结点进行测试。同时也可以通过 JTAG 接口将多个器件串连在一 起，形成一条链，实现每个器件的分别测试。采用 LPC2212 自带的 JTAG 引脚 实现测试接口，JTAG 调试电路原理图如图 3-2 所示。
图 3-2
JTAG 调试电路原理图
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3.1.4 复位电路设计
微处理器在上电时状态并不 ，将造成微处理器不能 '工作。为 上述问题，所有微处理器均有一个复位逻辑，负 微处理器初始化为某一确 定状态。这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作。一些微处理器在上电时会 自动产生复位信号，但大多数微处理器需要外部输入这个信号。因为微处理器 的初始状态由该信号 ，所以该信号的稳定性和可靠性对微处理器的正常工 作有着重大影响。本文设计手动复位模块。采用专门的复位监控器件 SP708S 完成复位功能。SP708S 复位阈值为 2.93V，复位脉冲宽度 200ms， MR 引脚电 平低于 0.8V 时触发复位信号。最大电源电流 40??A，支持高低电平的复位信号 输出，输入电压范围 1～5.5V，内嵌 VCC 干扰抑制电路，支持对供电失败及低 电池警告进行监控。复位电路原理图如图 3-3 所示。
图 3-3
复位电路原理图
3.1.5 显示电路设计
为了方便车缝人员及时了解工作站运行情况及生产数据， 设计了 LCD 显示 模块。采用深圳拓普微科技开发有限公司出品的 LM12864L 为 LCD 显示屏。 LM12864L 为 128*64 的全点阵图形液晶显示模块 LM12864 中的一个系列。内 置三星公司 S6B0108 控制器（两片）和 S6B0107 驱动器，能完成图形方式的 各种内容的显示。模块硬件电路简单，功能强大，性能稳定，是性价比极高的 一款液晶显示模块。 LM12864L 的管脚逻辑高电平为 3.75V，而 LPC2212 的 I/O 管脚逻辑高电 平为 3～3.3V，驱动能力显然不够。采用 74HC245 芯片增强 LPC2212 的 I/O 驱
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动能力，实现与液晶模块的管脚电平匹配，液晶显示电路原理图如图 3-4 所示。 其中 25K 电位器用于调整显示屏对比度。
图 3-4
液晶显示电路原理图
3.1.6 时钟电路设计
目前所有的微处理器均为时序电路，需要一个时钟信号源才能工作，大多 数微处理器具有晶体振荡器。基于以上事实，需要设计时钟电路。LPC2212 振 荡器支持晶振范围为 1～30MHz，如果不使用片内 PLL 功能，则外部晶振频率 范围是 1～30MHz，如果使用 PLL 功能，则只能接受频率在 10～25MHz 的外 部晶振。采用 11.05692MHz 的外部晶振，时钟电路原理图如图 3-5 所示。使用 11.05692MHz 的晶振可以使串口波特率更精 同时支持片内 PLL 功能。 3-5 图 中两个 30pF 的电容可以帮助晶振起振， 但有时候该值并不一定准确， 在硬件调 试时，要借助示波器检测信号输出的管脚，并根据实际情况作相应的调整。
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图 3-5
时钟电路原理图
3.1.7 CAN 接口电路设计
CAN 接口电路由 CAN 总线控制器、信号隔离器、CAN 收发器、CAN 总 线浪涌防护芯片组成[17-18]。选择 Microchip 公司出品的 MCP2515 作为 CAN 总 线控制器， 通过其内部的 CAN2.0B 协议模块完成比特数据流转和 CANL、 CANH 线上的电平的转换，实现智能终端机与 CAN 相连。MCP2515 是一款独立控制 器局域网络协议控制器， 不同于传统的并行总线 CAN 控制器， 它包含三个具有 优先级的发送缓冲区和两个可实现滚存的接收缓冲区，且通过 SPI 接口与微处 理器连接，大大节省了 I/O 数目，降低了系统功耗，非常适合与 ARM 微处 理器芯片组成功能模块，是一款高性价比的 CAN 控制器[19]。 LPC2212 自带两个了完全独立的 SPI 控制器，可以很方便的与带有 SPI 接 器件连接。LPC2212 与 MCP2515 的连接图如图 3-6 所示，两块芯片均由明 确的 SPI 接口引脚，只需将对应引脚直接相连即可实现 SPI 通信。在图中还设 计了 MCP2515 的复位电路， MCP2515 有两种复位方式， 分别是硬件复位和 SPI 复位。两种复位方式效果一样，本设计选择采用硬件复位方式，具体办法就是 在 RESET 引脚上连接一个 RC 电路，便可以实现上电自动复位。电路中的二极 作用是在 VDD5 掉电时帮助电容快速放电。R 的阻值选取在 1K 到 10K 之 间，以限制从电容流入 RESET 引脚的电流，以避免 RESET 引脚因静电放电或 过度电性应力而击穿。值得注意的是，MCP2515 的片选信号是由 LPC2212 的 P1.0 引脚配置成 I/O 提供，本课题将 LPC2212 设计为 SPI 主机，根据使用 说明，配置为 SPI 主机的 LPC2212SSEL 必须保持高电平，故通过 10K 电阻将 其上拉。
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图 3-6
LPC2212 与 MCP2515 的连接图
MCP2515 有两根输出信号线，分别是 TXCAN、RXCAN。这两根线上的信 号已经满足 CAN 通信协议但并不能直接挂到 CAN 总线上。原因是由于现场情 况十分复杂， 各工作站智能终端机之间存在很高的共模电压， 虽然 CAN 接口采 用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共 压超过 CAN 驱动器的极限接收电压时，CAN 驱动器就无法 工作了，严重时甚至会烧毁 芯片和仪器设备，因此，为了适应强干扰环境或是高的性能要求，必须对 CAN 总线各通信节点实行信号隔离[20-23]。 传统的 CAN 总线隔离的方法是光耦合器技术， 使用光束来隔离和保护检测 电路，以及在高压和低压电气环境之间提供一个安全接 目前一般使用 TIL113 光电隔离器件。以 TIL113 为例，其工作电压为 5V，最高速率 10Mbps， 工作温度一般为 0-70℃，隔离电压为 2500V，每个芯片仅提供一个隔离通道， 这些性能已经限制了其在更高要求的环境中应用[24]。 本课题采用双通道数字隔离器 ADUM1201。 ADUM1201 有诸多优于光电隔 离器件性能的地方， 可满足 CAN 总线的要求。 它采用的是基于芯片尺寸的变压 器技术，而不是基于光电耦合器所采用的 LED 与光敏三极管的组合，所以无需 驱动 LED 的外部电路，功耗仅为光电耦合器的 1/10－1/50，这种新的基于电磁 的隔离方法，在抗高温影响方面远优于光耦合器。在 125℃高温环境下性能和 可靠性并不下降，另外，具有比光电耦合器更高的数据传输速率、时序精度和
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瞬态共模抑制能力。其额定隔离电压是高隔离度光电耦合器的 2 倍，并且数据 传输速率和时序精度是其 10 倍。 本设 气隔离电路原理图如图 3-7 所示。电气隔离的两端各自有电源和 参考地， 在设计中使用 DC/DC 模块 B0505S-1W 将隔离前后的电源和地区分开， 分别提供 ADUM1201 左右两侧供电。在两端的电源和参考地中间接入 0.01～ 0.1uF 的电容，以滤除高频干扰。 经过电气隔离的 CAN 信号还必须通过 CAN 总线收发器才能来能连接到 CAN 总线上。CAN 收发器是架设 CAN 总线的必备器件，用来提高 CAN 总线 的差动发送能力和 CAN 控制器的差动接收能力[25]。本设计采用 TJA1050 芯片 作为 CAN 收发器。TJA1050 的 S 引脚是高速模式和静音模式的选择引脚，若 将 S 接地或悬空，芯片会进入高速模式；若将 S 接到 VCC 则进入静音模式，在 静音模式中，报文发送是禁能的，防止在 CAN 控制器不受控制时对网络通讯 造成堵塞，本设计将其接地。
图 3-7
电气隔离电路原理图
3.1.8 CAN 总线 ESD 防护方案
ESD，即静电放电，是现代集成电路最重要的可靠性问题之一。作为现代 集成电路主力军的高密度集成电路器件具有线间距短、线细、集成度高、运算
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速度快、低功率和输入阻抗高的特点，因而导致这类器件对静电较敏感，称之 为静电敏感器件。它们可能因静电电场和静电放电电流引起失效，或者造成难 以被人们发现的“软击穿”现象，导致设备锁死、复位、数据丢失和不可靠而影 响设备正常工作，使设备可靠性降低，甚至造成设备的损坏，危害极大[26-27]。 对于 CAN 总线也不例外，任何带电物体接触到 CAN 模块的连接引脚或线 路，都可能产生 ESD 脉冲，导致 CAN 收发器不能正常工作甚至烧毁收发器。 为了选择合适的 ESD 保护电路，需要分析有关几点重要指标： （1）最大供电电压 ISO 和 SAE 的物理层规范规定 CAN 收发器要能够承受电源供电线路之间 或 CAN 信号线之间的不 短路带来的影响。CAN 收发器多采用 3.3V 或 5V 供电，而这多数来自 12V 或 24V 的电源。若采用外部保护电路则可以不需要满 足最大供电电压的要求， 因为多数 CAN 收发器能承受±40V 的电源电压， CAN 在 信号线上则能承受更大的电压。但若要选择 TVS 器件，最大供电电压则是极其 重要因素之一，需要注意最小反向击穿电压要大于系统最大供电电压，但低于 CAN 收发器的最大输入电压。 （2）共 压 通常在类似 CAN 总线的网络中， 传输节点和接收节点的参考地的电压势能 有着很大差别，而 ISO11898-2 规则规定 CAN 收发器的信号线电压最多只能与 CAN_L、CAN_H 标称电压水平有 2V 的偏移。为了解决共 压问题，需要采 用双向保护器件，且须在信号线电压发生偏移时不会将其箝位。金属氧化物压 敏电阻(MOV)本身就是双向器件，且有着相同的正负击穿电压。而标准的 TVS 不是双向器件，在 压时作为齐纳二极管工作，在负电压时作为普通二极管 工作。 （3）最大传输速度 在 CAN 网络中，保护器件电容容易使 CAN 信号的波形失真，导致系统无 法清晰辨别电平的高低逻辑状态，传输速度受损。不过要做到紧密补偿 TVS 器 件的电容带来的失真是不太可能的，实际操作中常选择小电容值的器件尽量减 小失真。但电容值小了，吸收干扰能量的能力也减弱了，所以需要权衡两方面。 一般来说选择 TVS 器件应满足其连接的任一信号线到地的电容值对于 1.0Mbit/s 系统不超过 35pF，对于 125Kbit/s 系统不超过 250pF。 （4）ESD 等级
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ESD 要进入 CAN 节点有很多方式， 当任何带电物体， 比如人， 接触了 CAN 模块的连接引脚或连接线就会产生 ESD。 CAN 收发器的 ESD 等级比普通 IC 要 高，因为要驱动连接到外部输入输出连接器的线路，但却比使用了外部 TVS 器 件的系统低。ISO 11898-2 没有明 定 ESD 等级的要求，一般说来推荐接触 放电等级为±8.0KV，非接触空气放电等级为±15KV[28-30]。 上述为选择 ESD 保护电路的主要准则，避免 ESD 干扰的常用措施有采用 滤波电容器、TVS 器件、NTC 热敏电阻器和金属氧化物压敏电阻 MOV 等。本 课题采用双向 TVS 二极管器件 NUP2105L 完成 ESD 保护功能，它能够满足以 上所述的 ESD 防护电路的所有要求。ESD 保护电路如图 3-8 所示。TVS 二极管 通过将浪涌电压钳位在安全水平来保护收发器，在低于击穿电压时呈现高电阻 值，在高于击穿电压时呈现低电阻值。NUP2105L 为双线双向 TVS 二极管，在 每条信号线上将两个单向的 TVS 二极管合在一起形成双向保护。 每条信号线的 钳位电压数值是 偏置二极 电压降加上 TVS 反向击穿电压[31]。
图 3-8
ESD 保护电路
3.2 CAN 适配 件设计
在第二章对 CAN 适配卡上位机总线接口的选择作了详细的叙述， 最后选定 通过 PCI 总线连接工控机与 CAN 总线。
3.2.1 PCI 总线技术
（1）PCI 总线信号定义
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系统信号： CLK 时钟信号、RST#复位信号 地址数据信号：AD31～AD0 数据地址复用信号、C/BE3～C/BE0 总线命令 和字节使能复用信号、PAR 数据奇偶校验信号 接口控制信号：FRAME#帧周期信号、IRDY#主设备准备信号、TRDY#目标 设备准备好信号、IDSEL 初始化设备选择信号、DEVSEL#设备选择信号 仲裁信号：REQ#总线请求占用信号、GNT#总线操作权下放信号 错误反馈信号：PERR#奇偶校验错误信号、SERR#系统错误报告信号 中断输入信号：INTD#～INTA# 利用以上信号线便可以实现数据处理、访问控制、接 制、总线仲裁及其 它系统功能，有效地将 PCI 总线设备与计算机 PCI 总线连通[32]。 （2）PCI 配置空间简介 根据 PCI 规范，每个硬件都应有一个配置空间，在配置空间中是一系列的 寄存器，它们提供设备的配置信息。配置空间的用途是向系统提供设备可利用 的资源并进行配置。 系统启动时， BIOS 或操作系统通过访问主机上的 PCI 设备 的配置空间。定位设备在系统中的资源，为设备分配必需的设备空间基地址、 空间大小，并获取设备的中断向量、设备 ID、设备功能等参数，同时将这些系 统赋予设备的参数写入对应的配置寄存器中，以便用户编程访问。 一般情况下，配置空间是一容量为 256 字节并具有特定记录结构或模型的 地址空间。该空间又分为头标区和设备有关两大部分。设备在每个区中只需实 现必要的和与之相匹配的寄存器。 头标区的大小为 64 字节， 是所有 PCI 兼容设 备都要实现的空间，主要用于识别设备、设置基地址、中断向量等。头标区寄 存器布局图如表 3-2 所示。余下的 192 个字节空间称为局部配置空间，主要定 义卡上的局部总线访问规则、局部空间基地址和范围等内容[33]。 表 3-2 31～24 23～16 设备 ID(PCIDID) 设备状态字 设备类别码 (PCICCR) 头标区寄存器布局图 15～8 控制命令字 版本标识 (PCIREV) 7～0 偏移量 00H 04H 08H 供应商 ID(PCIVID)
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表 3-2(续) BIST 头域类型
头标区寄存器布局图 延迟计数器 缓存大小 0CH 10H 14H 18H 1CH 20H 24H 28H 2CH 30H 34H 38H 中断引脚 中断线 3CH
(PCIBAR0)基址寄存器 0(内存映射) (PCIBAR1)基址寄存器 1(I/O 映射) (PCIBAR2)基址寄存器 2(局部空间 0 映射) (PCIBAR3)基址寄存器 3(局部空间 1 映射) (PCIBAR4)基址寄存器 4(局部空间 2 映射) (PCIBAR5)基址寄存器 5(局部空间 3 映射) CardBus CIS 指针 子系统代码(SDID) 保留 保留 最大延迟 (Max-Lat) 最小延迟 (Min-Gnt) 字系统供应商 (SVID) 扩展 ROM 基地址寄存器
头域中各个寄存器的地址布局，表中的偏移指的是寄存器相对配置空间基 地址的偏移地址。下面简要介绍其中必须配置的寄存器功能。 ① 供应商 ID 和设备 ID：该寄存器用来标识设备生产厂家和设备的型号。前者 由权威组织分配，后者由厂家分配。 ② 设备分类码和版本 ID：设备分类码用于说明设备的功能，比如标识设备是 网卡控制器、显卡控制器，或是桥接控制器和别的设备。PCI 协议中，设备的 常用功能都有一定的 与之对应。分类码寄存器又分成高中低三个字段，分 别用于对设备的功能进行粗略的分类、进一步的分类和特定的寄存器级编程接 版本 ID 标识设备的版本信息。 ③ 基地址寄存器：基地址寄存器总共有 6 个 32 位的寄存器，它们分别对应设 备中的一个存储空间和 I/O 空间。上电时它们向系统自检程序反映设备需要多 少存储空间和 I/O 空间，自检程序将这些要求的空间映射到适当的主存储器空 间中，并把相应的起始地址重新写入基地址寄存器，便于系统对设备的使用。 系统 和子系统供应商代码：前者由 PCI 接口芯片的厂商自己定义，后 者由 PCI SIG （PCI 特殊兴趣小组） 进行 ， 厂商从 PCI SIG 获得唯一的标识。
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利用这两个寄存器，操作系统可以区分使用相同接 片的不同设备[34-36]。
3.2.2 PCI 总线接口方案设计
目前，PCI 接口实现的方法主要有以下两种： （1）采用可编程逻辑器件 该方案最大的好处是实现上比较灵活，可以把时序模块和功能模块结合在 一起，可以利用的器件也比较多（如 Altera 公司的 CPLD 器件、Xilinx 公司的 FPGA 器件等） ，还可以购买由厂家提供的用 VHDL、AHDL 等硬件描述语言编 制的核心设计模块，但设计难度较高，需要开发者对 PCI 总线规范有着很深入 的学习与研究，因为 PCI 总线对负载要求、传输数据的建立时间的要求都比较 苛刻，同时还需要器件内部实现用于配置的各类寄存器，以及完成逻辑校验、 地址译码等工作的寄存器（大约 15000 个门电路） 。还需要投入大量的人力物力 到复杂的逻辑验证和时序分析的工作上，开发周期较长。 （2）采用专用的 PCI 接口器件 PLX、 AMCC、 Cypress 等半导体公司纷纷推出了专用的 PCI 总线接口芯片。 采用这些器件可以有效的降低接 难度，缩短开发时间。专用接 件 具有较低的成本和很高的通用性，能够优化数据传输，提供配置空间，具备用 于突发传输功能的片内 FIFO，提供扩展局部总线等优点，并且许多公司还提供 配套的开发工具，大大缩短开发时间、降低开发难度。 PCI 接口器件可分为主模式和从模式。主模式器件可以获得 PCI 总线操作 权，而从模式只能接受来自的 PC 机读写操作。根据提供的传输数据带宽最大、 和总线最大的要求，加上经济和开发难度与周期上的考虑主模式器件较昂贵， 开发难度较大，采用从模式器件足以满足本课题数据传输的需要。此外，选择 芯片不仅考虑性能和经济上的要求，而且还需要考虑硬件开发和驱动程序开发 的难易。如果不提供足够的芯片说明和应用样例及开发工具，将大大增加开发 难度和延长开发周期[37]。综合考虑以上多种因素，采用 PLX 公司的从模式控制 器 PCI9052 作为适配卡 PCI 的接 片，负责与计算机之间的数据通信。
3.2.3 PCI9052 简介
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PCI9052 是 PLX 技术公司为扩展适配卡推出的能提供一种混合的高性能 PCI 总线从模式接 片。该芯片可与复用或非复用的 8、16、32 位局部总线 相连， 并且支持相对慢的局部总线在 PCI 总线上的突发传输速率达到 132Mb/s。 此外，还包括了 4 个局部片选信号、5 个局部地址空间、一个用来存储局部配 置信息串行 EEPROM 接口。 （1）PCI9052 局部信号定义 PCI9052 作为 PCI 总线和局部总线的连接中介，除具有与 PCI 总线匹配的 信号引脚外，还包括局部总线信号，如表 3-3 所示[38]。 表 3-3 信号类型 串行 EERPOM 接口信号 信号名称 EECS EEDO EEDI EESK LHOLD PCI9052 局部信号描述 功能描述 串行 EEPROM 片选 串行 EEPROM 数据出 串行 EEPROM 数据入 串行 EEPROM 数据时钟 总线控制权请求信号，当别的局部总线控制 器想获得总线控制时，声明此信号。可以通 过拉低该引脚，使 PCI9052 一直拥有局部总 总线仲裁信号 LHOLDA 线控制权 总线控制权响应信号， PCI9052 把总线控制权 交给其它总线控制器时， 此信号。当 PCI9052 要获得总线控制权时，撤销此信号 LA27～LA2 数据地址总线 LAD31~LAD0 非复用模式地址总线 非复用模式数据总线，复用模式中，在地址 周期 LAD27～LAD0 包含地址信息，在数据 周期，LAD31～LAD0 包含数据信息
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