基于CH365的PCI总线运动控制卡的设计

李 飞，黄子牛

（石家庄机械化步兵学院 河北 石家庄 050083）

运动控制卡与PC机的接口主要有ISA总线和PCI总线两种方式，由于ISA总线已基本被PC机所淘汰，而PCI总线则以其速度快、性能优等特点成为主流接口规范[1]，因此目前运动控制卡多基于PCI总线设计。

实现PCI接口的方法主要有两种：一是使用复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列（如CPLD或FPGA），二是使用专用电路（如PCI9052或CH365），采用第一种方法尽管灵活性高且性能好，但成本较高；而第二种方法采用专用电路，虽然灵活性差，但性能尚可，成本较低，并且开发周期较短，能够满足科研开发的一般场合，因此本设计选用第二种方案。

1 运动控制卡的工作原理

1.1 组成框图

PCI接口芯片选用南京沁恒公司推出的CH365，该器件完全符合PCI接口规范[2]。图1为设计的运动控制卡的功能框图，定时中断设为4 ms，依据PCI总线上送来的数据，在每个中断周期内由定时计数器输出一定数量的方波信号，控制伺服电机单轴或四轴的摆动频率，实现对内燃机的拖动；同时，该卡还对光电编码器的反馈脉冲进行计数，以实现对伺服电机的闭环控制。伺服电机光电编码器反馈信号经过高速光耦隔离后输入GAL进行四倍频处理，以提高反馈信号分辨率。

图1 运动控制卡框图Fig.1 Block diagram of motion control card

图2 为部分原理图，定时计数器U1、U2负责对输入轴反馈脉冲计数，以判断电机实际运行位置，U3、U4则对工作频率进行分频，在每一中断周期输出程序中设定频率的方波，从而控制电机的摆动频率，定时中断信号由U4的定时器2产生，中断信号与PCI总线的IRQ7相连，每一中断周期为4 ms。

图2 计数与分频部分Fig.2 Count and frequency divider

为提高信号抗干扰能力，定时计数器输出脉冲应经过差分处理，以“脉冲/方向”形式向伺服电机发出指令，设计中采用DS26C31对输出信号进行差分发送；光电编码器的反馈信号体现伺服电机的实际摆动频率，对此信号除需差分处理外，还应进行整形、滤波等处理，以提高定时计数器对输入信号的计数精度[3-4]，设计中采用DS26C32对输入信号进行差分接收。

1.2 性能特点

图3为研制的PCI总线运动控制卡，可实现四轴及单轴控制，每轴高达4 MPPS脉冲输出、1 MHz编码器输入，该运动控制卡还具有以下特点：

1）实现基于32位PCI总线的从设备接口。

2）可设定PCI板卡的设备标示。

3）自动分配I/O基址，支持长度达240字节的I/O端口。

4）支持本地硬件定址功能，自由选择I/O地址，在指定地址实现I/O端口。

5）转换为主动并行接口：8位数据、16位地址、I/O读写。

6）4个16位定时/计数器。

7）脉冲输出形式为上下或脉冲/方向。

8）通用的 Windows98/ME/2000/XP驱动程序，通过 DLL提供应用层API。

图3 PCI总线运动控制卡Fig.3 Motion control card based on PCI bus

2 驱动程序的编写

在使用PCI板卡之前，需要查找板卡并获取其配置信息。计算机BIOS已经为PCI设备设定了合适的工作环境，而我们编写程序的目的是为了使用此工作环境。

PCI设备有3个空间——内存地址空间、IO地址空间和配置空间。由于PCI支持即插即用，所以PCI设备不是占用固定的内存地址空间或I/O地址空间，而是可以由操作系统决定其映射的基址，这也就是配置空间的作用。

用于PCI板卡转换的CH365芯片同时提供了基于DOS的开源驱动函数库（包括 Ch365dos.c和 Ch365dos.h）和基于Windows的驱动程序及动态链接库[5]。在 DOS系统和Windows 9X系统下编写PCI板卡程序时，可以直接调用Ch365dos.c中的函数，实现对设备的驱动和控制。

2.1 初始化设备

调用Ch365dos.c中的CH365CheckDevice函数，检查PCI设备是否存在，CH365CheckDevice内部使用int86函数，调用DOS的1AH中断，即PCI BIOS中断，输入寄存器AH为固定值B1H，AL为02H时表示判断指定设备是否存在。

printf（ “Check PCI Device...” ）；

mPciAddr=CH365CheckDevice（ ）；

if（mPciAddr==0）

{

printf（“Failed. ”）；

return-1；

}

printf（“OK. ”）；

2.2 获取设备ID和厂商ID

获取PCI设备标识和厂商标识，这两个十六进制数代表此板卡区别于其他类型设备的唯一标志。CH365ReadCfgWord内部使用int86函数，调用DOS的1AH中断，输入寄存器AH为固定值B1H，AL为08H时表示读取PCI设备配置空间的信息。配置空间中最重要的有：

Vendor ID：厂商ID。用来判断PCI设备是否存在。

Device ID：设备ID。操作系统依据 Vendor ID和Device ID找到对应的驱动程序。

Class Code：类代码。共三字节，分别是类代码、子类代码、编程接口。类代码不仅用于区分设备类型，还是编程接口的规范。

IRQLine：IRQ编号。支持管理24个中断源。

IRQ Pin：中断引脚。PCI有4个中断引脚，该寄存器表明该设备连接的是哪个引脚。

以下代码用于读取PCI配置空间中的设备标识和厂商标识：

mCfgID=CH365ReadCfgWord（0x00）；

printf（“Vender ID:%04X. ”， mCfgID）；

mCfgID=CH365ReadCfgWord（0x02）；

printf（“Device ID:%04X. ”， mCfgID）；

2.3 配置IO地址

查找设备IO端口地址，获取设备IO端口的基地址之后，可通过指定偏移地址的方法，向板卡相应的端口输入或读取数据。注意此处被注释的函数CH365SetIoBaseAddr，在DOS系统下可以使用此函数自行指定一个IO基地址，但是Windows系统通常为硬件预设了IO基地址，用户强制指定的地址往往起不到效果。

CH365GetIoBaseAddr内部使用int86函数，调用了DOS的1AH中断，输入寄存器AH为固定值B1H，AL为07H～09H时 分 别表 示 按 字 节 （BYTE）， 字 （WORD） 和 双 字（DWORD）读取PCI设备配置空间的信息。

//CH365SetIoBaseAddr（（mPCH365_IO_REG）0x200）；

mIoBase=CH365GetIoBaseAddr（）；

iIoBase= （unsigned int）mIoBase；

printf（ "IOBase Addr:%04X. "， iIoBase ）；

2.4 设定硬件中断

检查和设定硬件中断，使用函数CH365SetIntLine和CH365GetIntLine指定或读取系统中保存的板卡中断号。CH365SetIntLine内部使用int86函数，调用DOS的1AH中断，输入寄存器AH为固定值B1H，AL为0BH～0DH时分别表示按字节（BYTE），字（WORD）和双字（DWORD）写入到PCI设备配置空间。

注意此处被注释的宏mCH365_INT_LINE_AUTO，它表示程序将使用缺省的中断号。在DOS和Windows 9x环境中，也允许用户自行指定中断号，如下的代码强行指定中断号为7。

printf（ “Set Interrput Line...” ）；

if（CH365SetIntLine（7/*mCH365_INT_LINE_AUTO*/）==FALSE）

{

mIntLine= －1；

printf（ “Failed. ” ）；

}

else

{

printf（ “OK. ” ）；

mIntLine=CH365GetIntLine（）；

}

printf（ "Interrupt Line:%X. "， mIntLine）；

3 中断的控制

中断服务程序是具有特定格式的函数，为保证运动控制卡的正常工作，中断服务子程序的编写必不可少。

3.1 初始化中断服务程序

查找并设定设备中断号，指定相应中断服务程序，系统在收到设备的中断信号时自动执行此函数的内容，如果不指定中断服务程序，那么中断将不会产生任何效果。

作为PCI板卡的前端设备，CH365控制中断信号的发送，在执行中断之前，应对mCh365IoCtrl发送控制字进行清零，否则可能无法开启中断。

mChipIoCtrl=inportb （ （USHORT） &mIoBase －>mCh365IoCtrl）；

outportb （ （USHORT） &mIoBase －>mCh365IoCtrl，mChipIoCtrl&0xfb）；

3.2 开启中断

在DOS下，应向计算机系统申请打开中断。此处假设中断采用屏蔽中断（INTR）的方式。PC机上的8088INTR中断请求线与8259A中断控制器的INT相连，而8259A有8个输入端，可连8个外设，8259A接收来自外设的中断请求信号，并把中断源的类型号送给CPU[6]。从外设的中断请求到CPU响应中断有两个控制条件起决定作用：

第一个条件，该外设中断请求是否屏蔽，对于8259A中断屏蔽寄存器IMR（口地址为21H）的某一位，若为0，则表示允许中断；为1，该外设的中断请求被屏蔽。

第二个条件，CPU是否允许中断，即标志寄存器中IF是否等于1，若IF=0，CPU禁止中断；IF=1，允许CPU响应中断。

由此编写代码如下：

outportb（0x20， 0x20）；

outportb（0x21， inportb（0x21） &0x7f）； //IRQ7

此外，还应当注意PCI卡是如何产生中断脉冲的，如果需要用户向指定IO地址执行输入才能够触发中断，那么还需要编写相应的板卡触发代码。

3.3 执行中断

运行时系统将根据中断周期自动进入中断服务程序，中断服务程序中必要的工作有：

检查中断信号是否来自此设备，因为其他的PCI设备可能产生同样的中断信号。

mChipIoCtrl=inportb （ （USHORT） &mIoBase －>mCh365IoCtrl）；

if（mChipIoCtrl&0x04） ……

此次中断执行完成之后，应编写退出代码，必要的退出代码包括CH365控制位清零，以及向系统申请退出中断服务程序。注意，如果缺少退出语句，或者中断服务程序中用户要执行的工作太多，则可能造成中断套叠以至计算机死锁。

outportb （ （USHORT） &mIoBase －>mCh365IoCtrl，mChipIoCtrl& ～0x04 ）；

if（mIntLine>=8）

{

outportb（0xa0，0x20 ）；

if（inportb（0xa0）==0）outportb（0x20，0x20）；

}

else outportb（0x20，0x20 ）；

之后向计算机系统发出申请，退出中断，也可以同时指定中断服务程序为NULL。

outportb（0x21， inportb（0x21） |0x80）；

4 结束语

运用国产芯片CH365，设计开发了一块PCI总线的运动控制卡，并编写了配套的驱动程序，经实际测试，伺服电机选用日本信浓公司的交流伺服电机，型号为5CB06－1SE，驱动器选用其配套的HO 10AB CB 600C 17 F型数字式交流伺服驱动器，可进行步进式及脉冲式伺服电机控制，并能充分发挥电机性能，方便地实现运动控制。

[1]阮毅，陈维钧.运动控制系统[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2]南京沁恒电子有限公司.PCI总线接口芯片CH365[EB/OL].（2005－12－21） http://wch.cn/download/list.asp?id=10.

[3]覃琴．基于FPGA的PCI接口运动控制卡的研究 [D].成都：四川大学，2006.

[4]林剑豪.基于CH365型接口和MCX314As型运动控制器的PCI总线运动控制卡设计[J].电子设计工程，2005（12）：22－26.LIN Jian-hao.Designing of PCI bus motion controlling card based on CH365 and MCX314As[J].Electronic Design Engineering，2005（12）:22－26.

[5]游林儒，庞永鹏，谭子瑜.基于PCI总线的四轴运动控制卡的研制[J].微计算机信息，2007，31（21）：12－14.YOU Lin-ru，PANG Yong-peng，TAN Zi-yu.Research and design of 4-Aexs motion controller based on PCI bus[J].Microcomputer Information，2007，31（21）：12－14.

[6]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].3版.北京：北京航空航天大学出版社，2005.