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總線硬件有嚴(yán)格的規(guī)定，可靠性和實(shí)時性好，傳輸速率達(dá)到１Ｍｂ／ｓ，對于大多數(shù)的應(yīng)用都能滿足，通過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)今軍用電子總線的首選。而由德國ＢＯＳＣＨ公司開發(fā)的ＣＡＮ總線，采用多主方式，最高速率為１Ｍｂ／ｓ，由于其在汽車電子系統(tǒng)中的卓越表現(xiàn)，現(xiàn)在受到了越來越多的用戶的關(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)出命令開始，從節(jié)點(diǎn)接到命令后解析并執(zhí)行，同時把相應(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，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總線為多主競發(fā)總線，能較好解決這個問題。但是ＣＡＮ總線也存在很多不足，例如他無法和１５５３Ｂ總線一樣給出一個比較確定的響應(yīng)時間，而且沒有雙冗余或多冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計，這使得他的可靠性和實(shí)時性不如１５５３Ｂ，而在軍用電子中，可靠性和實(shí)時性是最重要的。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１５５３Ｂ總線硬件成本非常高，相同條件下是ＣＡＮ總線的幾百倍，對于測試系統(tǒng)來說是很難承受的，所以在現(xiàn)在的測控系統(tǒng)中對于控制仍舊采用１５５３Ｂ總線，對于測試采用ＣＡＮ總線，而這兩者之間的信息交互就成了整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，促使了對１５５３Ｂ和ＣＡＮ總線轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。

２、設(shè)計思想

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。

其中幀起始由單個顯位組成，仲裁場由標(biāo)識符和ＲＴＲ位組成，一共１２位，控制場由２個保留位和４個ＤＬＣ位組成，數(shù)據(jù)場由０到８個字組成，每個字８位，ＣＲＣ場由１５位的ＣＲＣ序列和１位標(biāo)識位組成，ＡＣＫ場由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個隱性位組成。

由此可見，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)之間需要搭建一個能夠運(yùn)行并合理調(diào)度多個應(yīng)用程序的平臺。綜合整個轉(zhuǎn)換板的考慮，采用帶操作系統(tǒng)的ＡＲＭ９處理器來實(shí)現(xiàn)這個平臺是比較合適的。ｃＡＮ總線部分，可以設(shè)計成一般的主節(jié)點(diǎn)，而對于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)換板的這個端點(diǎn)設(shè)計成為可以通過不同的配置來實(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共同工作的方式來實(shí)現(xiàn)這個端點(diǎn)。而為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控，可以通過從ＡＲＭ９上擴(kuò)展串口和ＬＣＤ接口來實(shí)現(xiàn)。

３、轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計實(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)計中，器件的選擇決定了設(shè)計的實(shí)際方案和電路。對于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)器來共同實(shí)現(xiàn)。對于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ＰＩＯ接口，不但能夠與ＦＰＧＡ共同完成１５５３Ｂ端點(diǎn)功能，滿足１５５３Ｂ對實(shí)時性的要求，而且還能運(yùn)行需要的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，完成整個轉(zhuǎn)化工作。而對于用于實(shí)時監(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)成了整個轉(zhuǎn)換卡的框架，通過他們就構(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共用一個口，這樣ＣＡＮ總線出來的數(shù)據(jù)和１５５３Ｂ總線過來的數(shù)據(jù)不用轉(zhuǎn)存就可以直接通過另外一段輸出或者緩沖等待發(fā)送。Ｓ１Ｄ１３５０６芯片是一個多功能擴(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

在整個的轉(zhuǎn)換卡實(shí)現(xiàn)中面臨的最大問題就是轉(zhuǎn)換的實(shí)時性和緩沖數(shù)據(jù)管理，為此轉(zhuǎn)換卡通過使用實(shí)時性非常好的搶占式多任務(wù)操作系統(tǒng)ＲＴＬｉｎｕｘ來解決。他不但能滿足系統(tǒng)對實(shí)時性的要求，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)換程序提供一個良好的運(yùn)行環(huán)境。轉(zhuǎn)換程序主要完成兩個功能：把１５５３Ｂ總線來的數(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來為用戶提供實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控的圖形界面，這個圖形界面可以通過轉(zhuǎn)換卡擴(kuò)展的ＬＣＤ很好地完成信息交換過程實(shí)時監(jiān)視的任務(wù)。最后通過ＡＲＭ９的ＪＴＡＧ口可以對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)計中采用中斷源優(yōu)先級控制機(jī)制，不同的中斷源設(shè)置不同的中斷等級，以滿足系統(tǒng)對實(shí)時性的要求。這種機(jī)制主要是基于下列考慮：

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

（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較高速設(shè)備的處理延時。

同時在硬件的設(shè)計中考慮到軟件編程的靈活性，因此所有的中斷信號都設(shè)計成可以通過查詢得到。

３．４硬件測試

在硬件完成后，對整個硬件進(jìn)行了測試。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，通過示波器觀測由變壓器和收發(fā)器變換后的信號和序列，得到的信號電平和序列都符合既定的要求。然后把１５５３Ｂ端點(diǎn)協(xié)議寫入ＦＰＧＡ和ＡＲＭ，測試端點(diǎn)的反應(yīng)時間，即接收命令字到發(fā)出狀態(tài)字之間的間隔，這個時間為１．５～２．５μｓ之間，完全滿足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，同時滿足兩總線系統(tǒng)對實(shí)時性的要求。

（２）轉(zhuǎn)換卡可以單獨(dú)作為一個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，用戶可以通過ＬＣＤ顯示屏或者外部計算機(jī)實(shí)時監(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)計不但可以通過更改協(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)，而且因為是通過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)議芯片時對ＡＲＭ９的數(shù)據(jù)中斷請求時間，更好地滿足了控制系統(tǒng)的實(shí)時性要求。最后這種設(shè)計與直接購買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ＡＲＭ９實(shí)現(xiàn)了存儲擴(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，就可以把等待發(fā)送的數(shù)據(jù)放到專門開辟的緩沖區(qū)中存放，等待總線空閑時再發(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，每個節(jié)點(diǎn)在一個周期內(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)場可以通過４０針接口的ＬＣＤ或者上層的計算機(jī)監(jiān)控兩總線之間的信息交互，還可以通過串口和ＡＲＭ９的ＪＴＡＧ口實(shí)時地調(diào)試ＡＲＭ９中的程序。

（４）良好的實(shí)時性。在接口中，通過對ＣＡＮ和１５５３Ｂ總線中斷應(yīng)答優(yōu)先級的設(shè)置，可以非常好地滿足整個系統(tǒng)對實(shí)時性的要求。

５、結(jié)語

通過實(shí)際應(yīng)用證明，基于ＡＲＭ９的１５５３Ｂ和ＣＡＮ總線轉(zhuǎn)換卡無論硬件還是軟件都能夠很好地滿足１５５３Ｂ和ＣＡＮ總線對實(shí)時性、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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