摘要：为了完结核电现场I/O模块和操控站之间的数据传输，规划了一种根据PCI总线的四通道CAN通讯卡，每个CAN通道衔接32个单通道I/O模块，每隔25 ms收集I/O模块的数据一次，该体系的数据收集总量为400个模仿量和112个开关量。本规划选用两个CPU，使每个中止服务时刻占用中止距离的百分比进步了19%。本文要点论述了具体的硬件电路规划，包含原理规划、芯片选型、PCB制造等，具有高速度和低成本的长处。
关键词：PCI总线;数据收集;CAN通讯;双口RAM
PCI总线(peripheral component interconnect)俗称外部部件互联总线，是由美国Intel公司首先提出的一种先进的高功用部分总线，不依附于某个具体的处理器。比起IS A、EISA和MC等标准总线，更能满意人们对微机体系I/O带宽的要求。PCI总线的时钟频率为0～33 MHz，其最大数据传输速率可抵达528 Mbps，PCI部分总线的引进，打破了数据传输的瓶颈，使数据的实时高速收集和传输成为或许。CAN总线是一种全数字化、双向和多主的现场总线，具有通讯速率高、简略完结、且性价比高级长处，运用广泛。
1 CAN通讯卡的规划原理
四通道CAN通讯卡介于核电现场I/O模块和主站之间，是一块根据PCI总线的高速数据收集卡。一块通讯卡上有4个CAN通道，每个 CAN通道衔接32个单通道I/O模块。每隔25 ms收集I/O模块的数据一次，经过CAN通讯接口传送到微操控器80C196KB，经过处理后再经过8K*8的双口RAM经由PCI总线操控器上传给主机。主机对I/O模块的初始化、对时等操作由80C196KB经过CAN通讯下传到单通道I/O模块。其具体的逻辑框图如图1所示。
根据核电站实验数据收集体系的规划标准，该体系的数据收集总量为400个模仿量和112个开关量。每个收集模块收集一个点，因此共有512个收集模块，这些收集模块散布在两个机柜中。一切这些收集模块的数据都是经过CAN总线别离传送到数据收集柜中的两台数据收集核算机，进行量程转化和相关处理，送到数据处理核算机。每台数据收集核算机上有2块4通道智能CAN总线通讯卡，即8条CAN总线通道，别离将两个机柜的收集信号转到数据收集核算机上进行处理。因此每根CAN总线传送32个收集模块的数据。
鉴于四通道CAN通讯卡的数据收集功用，该卡的作业流程是：CPU每隔25 ms(最小巡检周期)扫描四条CAN总线上的128个收集模块的数据，经过处理后送给PCI总线，终究抵达数据收集核算机。
由于CAN卡的数据收集量比较大，根据扫描周期，对CPU而言，每秒钟由CAN总线操控器发生的中止有32*4*1 000/25=5 120个，则每个中止之间的距离为1 000 000/5120= 195.3μs。这关于CPU提出了很高的要求。如选用一个80C196KB，由于其单指令周期为0.125μs，假定每个中止服务指令需300条汇编指令，均匀每条汇编需两个单指令周期，即0.25μs，则每个中止服务程序需300*0.25=75μs，占用这个中止距离的 75/195.3=38.4%。这些数据标明即便处理速度满意要求，CPU的资源也是比较严重的。若选用两个80 C196KB，则每个CPU处理的中止为5 120/2=2 560，每个中止之间的距离195.3*2=390.6μs，每个中止服务程序时刻占用这个中止距离的75/390.6=19.2%，这对每个CPU而言，就轻松多了。
根据上述剖析，决议选用两个CPU(别离称为CPU和从CPU)。从CPU只担任收集两个CAN通道数据，经过双口RAM向主CPU发送收集的数据。主 CPU不只担任收集两个CAN通道数据，还担任和PCI总线接口，将从CPU收集的数据和本身收集的数据一同向PCI总线传输。一起，主CPU接纳到 PCI总线上的指令字和数据后，还需经过双口RAM将它们传送给从CPU，以确保主、从CPU进行数据收集的一致性和完好性。
2 芯片介绍
2.1 PCI总线操控器
PCI总线操控器选用AMCC公司的S5920，S5920是契合PCI2.2标准的从办法接口操控器，他只能作业于从办法(slave)。Add-On 侧有两种作业办法：邮箱办法(MAILBOX)和直通办法(PASS—THRU)办法。PASS—THRU办法又分PASSIVE和ACTIVE办法。根据各种办法的侧要点不同，咱们选用PASS—THRU的ACTIVE办法。它操作简略，对时序要求较少，比较合适很多数据的传输。四通道CAN通讯卡的资源请求选用非易失性RAM(NVRAM)——串行EEPROM AT24C04来完结。
2.2 CPU
选用Intel的16位微操控器80C196KB，它是Intel公司功用最强的CMOS芯片，其片内集成有8路A/D转化器，包含一个 8通道多路模仿开关，采样坚持电路和10位A/D转化器。与96系列微操控器相兼容，并添加了许多新功用。具有高速I/O子体系、中止源及中止向量明显添加(28个中止源，18个中止向量)，可动态装备8位或16位总线宽度。
2.3 双口RAM
接口卡含有板级CPU总线和主站ISA总线。两条总线经过8K*8的双口RAM交流数据。经过双口RAM，主站直接操控接口卡、并与其交流静态数据，主站和接口卡和谐的根据是邮箱指令。双口RAM的具体内存地址分配如表1所示。
2.4 CAN通讯接口
CAN操控线选用Philips公司的SJA1000，它与PCA82C200管脚兼容。具有扩展的接纳缓冲器，64字节的FIFO结构，支撑CAN2.0B协议。24 MHz晶振频率下，传输速率高达1.M bits/s。其内部结构如图2所示。物理传输层选用EIA RS485，故选用高速光电阻隔器材HCPL0611，确保电气上无搅扰，阻隔电压抵达500 V以上，进步整个体系的丈量精度。收发器选用Philips公司的PCA82C250芯片，其能够供给对总线数据的差动发送才能和对通讯总线数据的差动接纳才能。
2.5 译码电路
译码电路选用ALTERA公司的EPM7128S CPLD。它具有高阻抗、电可擦等特色，可用门单元为2 500个，管脚间最大推迟5 ns，作业电压5 V，输入输出线数84，而且它集逻辑译码、总线接口等于一体，非常便利。图3为EPM7128S的功用逻辑框图，其与PCI总线的衔接示意图如图4所示。
2.6 微处理器监控毛病自复位电路
复位电路选用MAXIM公司的MAX823看门狗电路，如图5所示，以它为中心能够完结以下几项功用：
1)上电和手动复位;
2)监督定时器(看门狗)复位。
单排两针跨接器JP3、JP4别离用于2个80C196KB的电源监控和硬件看门狗复位。跨接表明答应看门狗复位，不然制止看门狗复位。
3 CAN通讯卡的PCB规划
在规划PCB时，咱们选用Mentor Graphics公司的PADS2005软件，它包含整个完好的PCB规划进程，涵盖了从原理图网表导入，规矩驱动下的交互式布局布线，DRC/DFT/DFM查看与剖析，直至终究Gerber出产文件、安装及物料清单输出等全方位的功用需求。杰出的PCB规划不只能够添加PCB的视觉美感，更能进步体系的抗搅扰才能。在数据收集卡的PCB制造中，要考虑插卡的高频功用、电源去耦与搅扰的按捺、接当地法的挑选等要素。
3.1 PCB层数的挑选
在制造PCI板卡时，挑选制造四层的PCB板，其堆叠办法如图6所示，这样因运用了Power及Ground平面层，EMI之特性有很大改进。
3.2 去耦电容
由于一些高速信号，噪声频率比较高，咱们选用0.1μF的电容作为去耦电容，并使之尽量接近%&&&&&%的电源地管脚，使其与电源和地之间构成的回路最短。关于从外部衔接器进来的信号线运用的旁路%&&&&&%，要接近衔接器放置，以减小外部衔接线或许引进的搅扰在板上传达。
3.3 电源规划
为了避免数字器材所带来的高频噪声对模仿器材形成影响，将模仿信号的地与数字信号的地的走线分隔，然后在PCB上找一个恰当的方位将两者单点连通。体系的模仿地和数字地的共地址一般挑选ADC芯片上引脚所需电流最大的当地，以便使大电流对地回流途径最短，削减对模仿电路的电磁搅扰，进步体系精度。由于快速的数字振荡或许将转化噪声祸合到模仿电源中，所以模仿电源和数字电源应该分隔供电。在数据收集卡的规划中，模仿电路直接由DC—DC阻隔电源供电，数字电源直接由PCI插槽中的+5V和+3.3V供电。
3.4 走线要求
PCI总线的32位部分的一切信号最大走线长度有必要限定在1 500 mil以内，PCI时钟信号线的长度有必要是2 500 mil(±100 mil)，而且只能和插卡上的一个负载衔接。该引线只能在PCB一面走线且在转角处用弧形，切忌用直角，锐角，可用“蛇”形走线来满意长度要求。
别的，关于电源线和地线的线宽，一般是地线比电源线窄，即：信号线电源线地线，信号线宽一般为：0.2～0.3 mm，电源线为1.2～2.5 mm。地线尽量选用大面积覆铜的办法来增大地线面积减小接地阻抗，进步电路板的抗搅扰才能。
3.5 时钟信号的维护
为了满意高速数字信号的要求，PCB布线要求满意尽量削减传输推迟、削减信号损耗等。数据收集板上PCI时钟信号和AD采样、锁存、FIFO的读和写这些频率较高的时钟信号，应在PCB布线时在两头设置地线加以维护。
4 结束语
运用根据PCI总线的高速数据收集卡是现代信号处理中完结实时数据进机存储的重要办法。本办法所规划完结的数据收集体系也可运用于通讯振荡工程、语音处理、工业自动操控以及生物医学工程范畴。目前我国的数字化仪控体系还处于初级阶段，核电站数字化仪控体系的国产化是我国核电仪控工作开展的必经之路。该高速数据收集卡将运用在岭澳核电站BOPLOT KDO/KME项目中，完结现场I/O模块和操控站之间的数据传输，每隔25 ms收集一次数据，完结了高速度和低成本的长处。
