基于ETX的车载计算机模块的设计

1   引言

在新型驼峰无线机车信号系统中，机车主机是机车设备的神经中枢，在自动化控制过程中需实时的进行数据通讯和处理，必须具有多通讯接口、平台稳定，环境适应强等特点。本文提出了一种基于ETX的车载计算机模块的设计方法，通讯接口扩至六个串口、三个CAN口，在应用中满足了高低温、潮湿、振动、静电以及电磁干扰等使用环境的要求。

2   系统设计

2.1   硬件组成

ETX（Embedded Technology Extended嵌入式技术延伸）嵌入式计算机模块具有完整的PC功能和高效的CPU性能，为嵌入式应用提供完美的解决方案。在系统设计中采用主控制器为ETX工控模块，其核心CPU为赛扬433 CPU。它能提供VGA、串口（2个）、并口、IDE、语音、以太网口（100M）、USB、键盘、鼠标等多种常用的计算机接口。该产品高性能的外围资源，高品质的CPU集成系统大大方便了外围设备的扩展，方便了主CPU与外围设备的数据交流。然而，在新型驼峰无线机车信号系统中对通信接口有更多的要求，需要提供至少6个串口和3个CAN口，为此需要增扩串口和CAN口，其组成框图如图1所示。通过桥片和总线控制器完成通信接口的扩展。整个计算机采用欧标6U标准的模板，通过双96芯VME与底板连接。

图1 硬件组成框图[page]

2.2   操作系统选择

在自动化控制过程中需实时的进行数据通讯和处理，为此操作系统的选择非常重要。对于车载项目的操作系统，WinCE具有比xp embedded更好的实时性、稳定性和更低的功耗。

WinCE. NET做为一个高级的嵌入式的实时操作系统，提供了丰富的网络和通讯标准，一个高效的实时内核，丰富的多媒体应用和web的功能。

在实际应用中运行于微软 WinCE4.2 NET操作系统下。WinCE4.2 NET是微软公司为满足工业控制等领域对于实时性的苛刻要求而推出的一款嵌入式实时操作系统。系统具有实时性高，性能稳定，系统资源占用低等特点。同时，对于多媒体以及人机界面交互方面在嵌入式领域有着绝对的领先地位。基于以上的系统特点和客户的具体应用，我们在设计过程中选定使用的操作系统为WinCE4.2 NET。同时为处理板提供基于wince系统的bsp包和相应的外扩设备的WinCE下的驱动。

2.3   环境适应性设计

为满足车载系统环境适应的要求，在设计中作了以下专项工作：

a)选择工业级器件和部件，满足-40~+70温度要求

b)全板附铝合金冷板以提供良好的散热和电磁屏蔽，同时提高整板抗振动和冲击能力

c)做三防处理

d)设计静电释放电路，减少在运输安装过程中由于静电引起的电路损坏。

3   主要接口电路设计

合处理的需要。PCI总线一个重要的特点是具有极高的数据传输速度，是新一代微机的标准总线。系统必须解决PCI到串口和PCI到CAN口的转换问题。原理框图中从PCI总线扩展出的串口和CAN口原理框图如图2所示。

a)串口

图2    4串口扩展原理框图

原理图中所使用的串口控制器为OX16C954，该片可扩展4个串口（在本系统中，定义为COM3至COM6），数据位可为5/6/7/8/9，停止位可为1/1.5/2，每通道的收发各有128BYTE深度的FIFO，波特率选择的范围根据所选的时钟频率可从50到1MB，中断与查询均可。光耦的性能为隔离电压1500V，传输速率为10MB。通过HIN213对总线驱动。其中COM6采用单独隔离的电源，RS232工作方式，并提供全9针功能；COM3、4、5与ETX上的COM2共电源，并提供RS232和RS485硬件跳换。

b) CAN口

图3   3CAN口扩展原理框图[page]

CAN口的扩展如图3所示。采用Intel的CAN控制器I82527。该片支持CAN 2.0 A/B规范，波特率可达1MB/S，同时I82527还可提供16个I/O口作为其它控制使用。光隔器件采用HCPL0661，隔离电压为1000V，传输速率为10MB。CAN总线收发器采用TJA1050，该片是专为CAN总线驱动而设计的，传输速率可达1MB。在本板中，三路CAN定义为CAN1、CAN2、CAN3，其中CAN3与CAN1和CAN2电源隔离。      

c)CPLD内控制接口设计

复杂可编程逻辑器件（CPLD）几乎可适用于所有的门阵列和各种规模的数字集成电路，它以其编程方便，集成度高、速度快、价格低等特点越来越受到设计者的欢迎。本设计所采用的CPLD为ALTERA公司的EPM7128，以Altera公司新一代功能更强的集成EDA工具Quartus II为开发软件，以Verilog作为硬件描述语言进行设计，完成CPLD内电路的设计。

在图2、3所示的电路中，使用了CPLD 器件, 使得硬件电路的设计变得十分简洁。主要实现以下功能：

1)地址译码部分

2)地址数据的锁存

3)读写控制部分

4)中断管理部分    

5)寄存器部分为中断标志和中断允许寄存器。

6)LED灯的控制部分

中断管理部分实现串口控制器和3个CAN控制器的中断及8路IO中断。

这种设计通过软件编程对其器件的结构和工作方式进行重构，能随时进行设计调整而满足产品升级。使得硬件的设计可以如软件设计一样方便快捷，从而改变了传统数字系统及用单片机构成的数字系统的设计方法、设计过程及设计概念，使系统设计的技术操作和系统构成在整体上发生了质的飞跃。

d)其它功能扩展

为满足用户的需，从CPLD中引出10根引线到面板LED供需方编程使用，此外，CPLD还可提供若干个I/O口作为其它功能的控制。

4 Windows下驱动程序的设计

在硬件调试过程中，在windows操作系统下进行调试，用WinDriver开发设备驱动程序。

a)打开WinDriver应用程序后，出现Driver Wizard，选择创建新Diver，出现当前系统中所有的硬件卡的列表，从中选择需要建立驱动程序的硬件设备PLX PCI9054，点击Generate.INF File按钮建立安装信息文件，然后按照板卡所需信息进行修改。

b)用Driver Wizard生成操作硬件的应用程序及API函数。

c)启动VC++6.0，建立一个工程，将Wizard产生的部分单元文件包含进工程，在此基础上加入完成特定任务的代码。

测试软件的启动界面如图4所示。  

图4  测试软件启动界面

5   结束语

cI/O ports.some  CAN port, se PCI Bus to extend four seria。示、为至今为止，基于本方案的计算机模块已经成功地应用于机车遥控系统。

本文作者创新点：该模块采用PCI总线提高了速度，对各路串口和CAN采取了光电隔离措施，使系统同外部设备之间实现了电绝缘，设计静电释放电路，减少在运输安装过程中由于静电引起的电路损坏。全板附铝合金冷板以提供良好的散热和电磁屏蔽，同时提高整板抗振动和冲击能力。