专利名称：一种pci双冗余can总线卡的制作方法
技术领域：
:本实用新型涉及一种PCI双冗余CAN总线卡，属于CAN总线网络控制技术及双冗余切换技术领域。
技术背景:基于总线网络的控制系统，系统的检错能力和可靠性成为了一种关键技术。国内外对此进行了很多研究，冗余技术就是其中之一。目前的技术采用软件管理冗余，综合当前各种冗余管理方案，概括起来有三种:第一种是总线驱动器级冗余，即一个CPU、一个CAN控制器和两个物理总线驱动器；第二种是CAN总线控制器级冗余，即一个CPU、两个CAN控制器、两个物理总线驱动器；第三种是系统级冗余，即两个CPU、两个CAN控制器、两个物理总线驱动器。双冗余CAN总线控制系统，一般包括多个双冗余CAN总线节点，每个节点具有两个物理层线路通道。
实用新型内容本实用新型提出的双冗余CAN总线切换网络，填补了硬件冗余管理的空白，实现了真正的双冗余切换网络，无需软 件干涉冗余功能管理，只需简单的读写寄存器即可，冗余管理完全由硬件实现。本实用新型提出一种基于CAN总线的双冗余通信系统，安装有本实用新型的PCI双冗余CAN总线卡的节点，具有双冗余通信的功能。本实用新型提供PCI双冗余CAN总线卡，是基于背景技术中的第二种冗余方案即CAN总线控制器级冗余所提出的冗余解决方案，不同的是本实用新型中冗余管理由硬件逻辑实现。将第二种方案中的CAN控制器和CAN物理总线驱动器均由PCI双冗余CAN总线卡实现，而安装了 PCI双冗余CAN总线卡的计算机作为第二种方案中的CPU。PCI双冗余CAN总线卡的核心是用FPGA芯片实现CAN总线控制器和冗余管理。上述冗余管理的功能特征在于自动通道状态判断、自动消息发送通道选择、自动锁存两个发送通道的发送状态。所述的自动通道状态判断是辅助状态机通过周期发送心跳消息实现，若发送心跳消息导致CAN总线节点错误被动激活时，则判定此通道故障。所述心跳消息的发送周期和内容由寄存器设定，最大默认发送周期是20ms。所述的自动消息发送通道选择是主状态机通过判断两个辅助状态机给出的通道状态实现。一个消息的发送是从判断主通道的状态开始的，若主通道状态正常则从主通道发送，否则判断备用通道的状态，若备用通道状态正常则从备用通道发送，否则发送失败。通道切换时间随机分布在几微秒到周期发送时间之间。[0014]所述的自动锁存两个发送通道的发送状态包括发送成功通道号、发送失败通道号、消息发送消耗时间、消息切换消耗时间和消息发送状态。本实用新型一种PCI双冗余CAN总线卡，其结构如图1所示，它包含PCI接口芯片、FPGA芯片、隔离电源芯片、隔离芯片、驱动芯片和DB9接头，它们按序彼此相互连接。所述的PCI接口芯片，一方面通过PCB板上的布线与板上的金手指相连，另一方面通过PCB板上的布线连接到FPGA芯片上。该PCI接口芯片采用PLX公司的PCI9030芯片，该芯片可以把PCI总线协议转化成本地地址数据总线。PCI9030具有132MB/S的数据传输量、本地总线最高时钟60MHz、支持5个本地地址范围、4个本地总线选通信号、具有字节格式大字和小字转换功能、支持中断产生和3.3V、5V信号兼容10。使用PCI9030能够大大减少PCI总线的开发风险，缩短产品的研发周期。所述的FPGA芯片，一方面通过PCB板上的布线连接到PCI接口芯片上，另一方面通过PCB板上的布线连接到隔离芯片上。该FPGA芯片采用XILINX公司的SPARTAN3系列的X3C400芯片，完成PCI本地接口和双冗余CAN总线控制器。X3C400具有40万个系统门、56K位分布RAM、288K位集成块RAM、16个专用乘法器、4个时钟管理单元和141个最大可用IO数量，并具有价格低廉、应用广泛等特点，成为本实用新型的最佳选择。所述的隔离电源芯片，隔离电源芯片的电源输入由PCI总线上的5V金手指，通过布线连接提供，隔离电源芯片的电源输出提供电源给隔离芯片和驱动芯片。该隔离电源芯片采用TI公司的IW隔离电源芯片DCP010505，具有输出短路保护、过热保护、满负载最大75%的工作效率、1000V有效值电压隔离和工业级工作温度范围等特点。所述的隔离芯片，一方面通过PCB板上的布线连接到FPGA芯片上，另一方面通过PCB板上的布线连接到驱动芯片上。该隔离芯片采用Fairchild Semiconductor公司的HCPL0611，其功能是接收FPGA芯片发出的信号，然后隔离后传递给驱动芯片，或者接收驱动芯片发出的信号，然后隔 离后传递给FPGA芯片。HCPL0611是小型8脚表贴封装，其超高的10Mbit/s传输速度和良好的共模抑制比能够满足苛刻环境的抗干扰环境需要。HCPL0611的超高传输速度是提高CAN总线波特率和决定总线布线长度的关键条件。HCPL0611的工业级温度范围也能够满足工业现场环境的需要。所述的驱动芯片，一方面通过PCB板上的布线连接到隔离芯片上，另一方面通过PCB板上的布线连接到DB9接头上。该驱动芯片采用Philips Semiconductors的PCA82C250，转换CAN总线信号成为TTL信号，或者转换TTL信号成为CAN总线信号。PCA82C250具有最高IM波特率信号传输能力、防突变电流的总线保护措施、为减少射频干扰的信号斜率控制、带有宽共模范围差分信号的接收器和过热保护，最重要的是价格低廉、应用广泛，从而成为CAN总线驱动器的最佳选择。所述的DB9接头，是CAN总线驱动器芯片输出信号经过PCB布线连接到两个DB9连接器上。采用标准DB9孔型接插件。优点及功效:本实用新型一种PCI双冗余CAN总线卡，其优点是:(一 )本实用新型采用通用高速并行PCI总线把计算机和双冗余CAN总线控制器软核连接起来，有效提高系统稳定性，同时可具有良好的用户界面。(二)本实用新型利用FPGA实现硬件冗余管理，有效减少上层软件的干预，进一步增强系统稳定性。[0025](三)本实用新型中FPGA代码采用可综合的、模块化语言设计，便于实现产品化。
图1本实用新型实施例中PCI双冗余CAN总线卡的结构图；图2本实用新型实施例中FPGA代码结构框图；图3本实用新型实施例中FPGA代码结构的CAN双冗余管理控制器对外接口图；图4本实用新型实施例中FPGA代码结构的CAN双冗余管理控制器数据地址总线接口读时序图；图5本实用新型实施例中FPGA代码结构的CAN双冗余管理控制器数据地址总线接口与时序具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，
以下结合附图对本实用新型实施例作进一步详细说明。实施例本实用新型提出一种PCI双冗余CAN总线卡，其结构如图1所示，它包含PCI接口芯片、FPGA芯片、隔离电源芯片、隔离芯片、驱动芯片和DB9接头。它们按序彼此相互连接。所述的PCI接口芯片，一方面通过PCB板上的布线与板上的金手指相连，另一方面通过PCB板上的布线连接到FPGA芯片上。PCI接口芯片采用PLX公司的PCI9030芯片，该芯片可以把PCI总线协议转化成本地地址数据总线。PCI9030具有132MB/S的数据传输量、本地总线最高时钟60MHz、支持5个本地地址范围、4个本地总线选通信号、具有字节格式大字和小字转换功能、支持中断产生和`3.3V、5V信号兼容10。使用PCI9030能够大大减少PCI总线的开发风险，缩短产品的研发周期。所述的FPGA芯片，一方面通过PCB板上的布线连接到PCI接口芯片上，另一方面通过PCB板上的布线连接到隔离芯片上。该FPGA芯片采用XILINX公司的SPARTAN3系列的X3C400芯片，完成PCI本地接口和双冗余CAN总线控制器。X3C400具有40万个系统门、56K位分布RAM、288K位集成块RAM、16个专用乘法器、4个时钟管理单元和141个最大可用IO数量，并具有价格低廉、应用广泛等特点，成为本实用新型的最佳选择。所述的隔离电源芯片，隔离电源芯片的电源输入由PCI总线上的5V金手指，通过布线连接提供，隔离电源芯片的电源输出提供电源给隔离芯片和驱动芯片。该隔离电源芯片采用TI公司的IW隔离电源芯片DCP010505，具有输出短路保护、过热保护、满负载最大75%的工作效率、1000V有效值电压隔离和工业级工作温度范围等特点。所述的隔离芯片，一方面通过PCB板上的布线连接到FPGA芯片上，另一方面通过PCB板上的布线连接到驱动芯片上。该隔离芯片采用Fairchild Semiconductor公司的HCPL0611，其功能是接收FPGA芯片发出的信号，然后隔离后传递给驱动芯片，或者接收驱动芯片发出的信号，然后隔离后传递给FPGA芯片。HCPL0611是小型8脚表贴封装，其超高的10Mbit/s传输速度和良好的共模抑制比能够满足苛刻环境的抗干扰环境需要。HCPL0611的超高传输速度是提高CAN总线波特率和决定总线布线长度的关键条件。HCPL0611的工业级温度范围也能够满足工业现场环境的需要。[0038]所述的驱动芯片，一方面通过PCB板上的布线连接到隔离芯片上，另一方面通过PCB板上的布线连接到DB9接头上。该驱动芯片采用Philips Semiconductors的PCA82C250，转换CAN总线信号成为TTL信号，或者转换TTL信号成为CAN总线信号。PCA82C250具有最高IM波特率信号传输能力、防突变电流的总线保护措施、为减少射频干扰的信号斜率控制、带有宽共模范围差分信号的接收器和过热保护，最重要的是价格低廉、应用广泛，从而成为CAN总线驱动器的最佳选择。所述的DB9接头，是CAN总线驱动器芯片输出信号经过PCB布线连接到两个DB9连接器上。采用标准DB9孔型接插件。本实用新型提出一种PCI双冗余CAN总线卡，其FPGA代码的CAN双冗余管理控制器能够作为独立功能模块应用在大型FPGA代码设计当中，即图2虚线部分。其包含寄存器I模块，连接PCI接口到冗余管理模块。设置冗余管理模块的工作状态、设置CAN总线通 道I的工作状态、记录CAN总线通道I的运行状态。其包含寄存器2模块，连接PCI接口到冗余管理模块。设置CAN总线通道2的工作状态、记录CAN总线通道2的运行状态。其包含冗余管理模块，连接PCI接口模块、寄存器I模块和寄存器2模块到两个CAN总线位流处理器。冗余管理模块包括3个状态机和一些其他组合逻辑。其包含冗余管理模块中的主状态机功能包括:通道切换、锁存通道切换时间、锁存数据发送时间、锁存消息发送状态、锁存发送失败的通道号、锁存发送成功的通道号。其包含冗余管理模块中的辅助状态机功能包括:消息的发送、心跳消息的发送、监视通道状态及与主状态机进行控制交换。其包含位流处理器模块，连接冗余管理模块和寄存器模块到FPGA串行输入输出。管理CAN总线协议，例如消息发送、消息接收、错误处理、消息格式产生与识别、消息滤除和消息存储管理等。所述的CAN双冗余管理控制器的对外接口如图3所示，在本实施例中，对外接口分为5大部分，分别是:全局信号、数据地址总线、第一通道信号、第二通道信号和测试信号。所述的全局信号包括全局复位信号，高电平输入复位，和时钟信号，16MHz标准时钟信号输入。所述的数据地址总线包括读输入信号、写输入信号、总线开始输入信号、总线应答输出信号、数据总线输入信号、数据总线输出信号和地址总线输入信号。所述的FPGA内部结构的CAN双冗余管理控制器数据地址总线接口读时序图如图4所示，每个总线读周期，由ads开始，ack结束。所述的FPGA内部结构的CAN双冗余管理控制器数据地址总线接口写时序图如图5所示，每个总线写周期，由ads开始，ack结束。所述的第一通道信号包括:通道选择信号chan_a_cs，CAN总线物理层信号输入chan_a_rx_i, CAN总线物理层信号输出chan_a_tx_o,中断信号输出chan_a_irq_on,时钟信号输出chan_a_clkout_o,状态信号输出chan_a_status。所述的第二通道信号包括:通道选择信号chan_b_cs，CAN总线物理层信号输入chan_b_rx_i, CAN总线物理层信号输出chan_b_tx_o,中断信号输出chan_b_irq_on,时钟信号输出chan_b_clkout_o,状态信号输出chan_b_status。[0054]测试信号，系统实时时钟信号输入sysrtc，宽度32位，最小分辨率50 y S，测试信号组I输出testl， 宽度32位，测试信号组2输出test2，宽度32位。
权利要求1.一种PCI双冗余CAN总线卡，其特征在于:它包含PCI接口芯片、FPGA芯片、隔离电源芯片、隔离芯片、驱动芯片和DB9接头，它们按序彼此相互连接； 所述PCI接口芯片，一方面通过PCB板上的布线与板上的金手指相连，另一方面通过PCB板上的布线连接到FPGA芯片上；该PCI接口芯片是PCI9030芯片，它把PCI总线协议转化成本地地址数据总线； 所述FPGA芯片，一方面通过PCB板上的布线连接到PCI接口芯片上，另一方面通过PCB板上的布线连接到隔离芯片上；该FPGA芯片是X3C400芯片，完成PCI本地接口和双冗余CAN总线控制器； 所述隔离电源芯片，是DCP010505芯片，其电源输入由PCI总线上的5V金手指，通过布线连接提供，其电源输出提供电源给隔离芯片和驱动芯片； 所述隔离芯片，一方面通过PCB板上的布线连接到FPGA芯片上，另一方面通过PCB板上的布线连接到驱动芯片上；该隔离芯片是HCPL0611芯片，它接收FPGA芯片发出的信号，然后隔离后传递给驱动芯片，或者接收驱动芯片发出的信号，然后隔离后传递给FPGA芯片; 所述驱动芯片，一方面通过PCB板上的布线连接到隔离芯片上，另一方面通过PCB板上的布线连接到DB9接头上；该驱动芯片是PCA82C250芯片，它转换CAN总线信号成为TTL信号，或者转换TTL信号成为CAN总线信号； 所述DB9接头，是CAN总线驱动器芯片输出信号经过PCB布线连接到两个DB9连接器上，采用标准DB9孔 型接插件。
专利摘要一种PCI双冗余CAN总线卡，它包含PCI接口芯片、FPGA芯片、隔离电源芯片、隔离芯片、驱动芯片和DB9接头，它们按序彼此相互连接；所述PCI接口芯片是PCI9030芯片，所述FPGA芯片是X3C400芯片，所述隔离电源芯片是DCP010505芯片，所述隔离芯片是HCPL0611芯片，所述驱动芯片是PCA82C250芯片，所述DB9接头是采用标准DB9孔型接插件。本实用新型设计的PCI双冗余CAN总线卡，实现了真正的双冗余切换网络，无需软件干涉冗余功能管理，只需简单的读写寄存器即可，冗余管理完全由硬件实现，它填补了硬件冗余管理的空白。
文档编号G06F13/40GK203102275SQ20132011053
公开日2013年7月31日 申请日期2013年3月12日 优先权日2013年3月12日
发明者袁慧梅, 韩相东 申请人:首都师范大学