基于CH365的PCI總線運動控制卡的設計

李 飛，黃子牛

（石家莊機械化步兵學院 河北 石家莊 050083）

運動控制卡與PC機的接口主要有ISA總線和PCI總線兩種方式，由于ISA總線已基本被PC機所淘汰，而PCI總線則以其速度快、性能優等特點成為主流接口規范[1]，因此目前運動控制卡多基于PCI總線設計。

實現PCI接口的方法主要有兩種：一是使用復雜可編程邏輯器件或現場可編程門陣列（如CPLD或FPGA），二是使用專用電路（如PCI9052或CH365），采用第一種方法盡管靈活性高且性能好，但成本較高；而第二種方法采用專用電路，雖然靈活性差，但性能尚可，成本較低，并且開發周期較短，能夠滿足科研開發的一般場合，因此本設計選用第二種方案。

1 運動控制卡的工作原理

1.1 組成框圖

PCI接口芯片選用南京沁恒公司推出的CH365，該器件完全符合PCI接口規范[2]。圖1為設計的運動控制卡的功能框圖，定時中斷設為4 ms，依據PCI總線上送來的數據，在每個中斷周期內由定時計數器輸出一定數量的方波信號，控制伺服電機單軸或四軸的擺動頻率，實現對內燃機的拖動；同時，該卡還對光電編碼器的反饋脈沖進行計數，以實現對伺服電機的閉環控制。伺服電機光電編碼器反饋信號經過高速光耦隔離后輸入GAL進行四倍頻處理，以提高反饋信號分辨率。

圖1 運動控制卡框圖Fig.1 Block diagram of motion control card

圖2 為部分原理圖，定時計數器U1、U2負責對輸入軸反饋脈沖計數，以判斷電機實際運行位置，U3、U4則對工作頻率進行分頻，在每一中斷周期輸出程序中設定頻率的方波，從而控制電機的擺動頻率，定時中斷信號由U4的定時器2產生，中斷信號與PCI總線的IRQ7相連，每一中斷周期為4 ms。

圖2 計數與分頻部分Fig.2 Count and frequency divider

為提高信號抗干擾能力，定時計數器輸出脈沖應經過差分處理，以“脈沖/方向”形式向伺服電機發出指令，設計中采用DS26C31對輸出信號進行差分發送；光電編碼器的反饋信號體現伺服電機的實際擺動頻率，對此信號除需差分處理外，還應進行整形、濾波等處理，以提高定時計數器對輸入信號的計數精度[3-4]，設計中采用DS26C32對輸入信號進行差分接收。

1.2 性能特點

圖3為研制的PCI總線運動控制卡，可實現四軸及單軸控制，每軸高達4 MPPS脈沖輸出、1 MHz編碼器輸入，該運動控制卡還具有以下特點：

1）實現基于32位PCI總線的從設備接口。

2）可設定PCI板卡的設備標示。

3）自動分配I/O基址，支持長度達240字節的I/O端口。

4）支持本地硬件定址功能，自由選擇I/O地址，在指定地址實現I/O端口。

5）轉換為主動并行接口：8位數據、16位地址、I/O讀寫。

6）4個16位定時/計數器。

7）脈沖輸出形式為上下或脈沖/方向。

8）通用的 Windows98/ME/2000/XP驅動程序，通過 DLL提供應用層API。

圖3 PCI總線運動控制卡Fig.3 Motion control card based on PCI bus

2 驅動程序的編寫

在使用PCI板卡之前，需要查找板卡并獲取其配置信息。計算機BIOS已經為PCI設備設定了合適的工作環境，而我們編寫程序的目的是為了使用此工作環境。

PCI設備有3個空間——內存地址空間、IO地址空間和配置空間。由于PCI支持即插即用，所以PCI設備不是占用固定的內存地址空間或I/O地址空間，而是可以由操作系統決定其映射的基址，這也就是配置空間的作用。

用于PCI板卡轉換的CH365芯片同時提供了基于DOS的開源驅動函數庫（包括 Ch365dos.c和 Ch365dos.h）和基于Windows的驅動程序及動態鏈接庫[5]。在 DOS系統和Windows 9X系統下編寫PCI板卡程序時，可以直接調用Ch365dos.c中的函數，實現對設備的驅動和控制。

2.1 初始化設備

調用Ch365dos.c中的CH365CheckDevice函數，檢查PCI設備是否存在，CH365CheckDevice內部使用int86函數，調用DOS的1AH中斷，即PCI BIOS中斷，輸入寄存器AH為固定值B1H，AL為02H時表示判斷指定設備是否存在。

printf（ “Check PCI Device...” ）；

mPciAddr=CH365CheckDevice（ ）；

if（mPciAddr==0）

{

printf（“Failed. ”）；

return-1；

}

printf（“OK. ”）；

2.2 獲取設備ID和廠商ID

獲取PCI設備標識和廠商標識，這兩個十六進制數代表此板卡區別于其他類型設備的唯一標志。CH365ReadCfgWord內部使用int86函數，調用DOS的1AH中斷，輸入寄存器AH為固定值B1H，AL為08H時表示讀取PCI設備配置空間的信息。配置空間中最重要的有：

Vendor ID：廠商ID。用來判斷PCI設備是否存在。

Device ID：設備ID。操作系統依據 Vendor ID和Device ID找到對應的驅動程序。

Class Code：類代碼。共三字節，分別是類代碼、子類代碼、編程接口。類代碼不僅用于區分設備類型，還是編程接口的規范。

IRQLine：IRQ編號。支持管理24個中斷源。

IRQ Pin：中斷引腳。PCI有4個中斷引腳，該寄存器表明該設備連接的是哪個引腳。

以下代碼用于讀取PCI配置空間中的設備標識和廠商標識：

mCfgID=CH365ReadCfgWord（0x00）；

printf（“Vender ID:%04X. ”， mCfgID）；

mCfgID=CH365ReadCfgWord（0x02）；

printf（“Device ID:%04X. ”， mCfgID）；

2.3 配置IO地址

查找設備IO端口地址，獲取設備IO端口的基地址之后，可通過指定偏移地址的方法，向板卡相應的端口輸入或讀取數據。注意此處被注釋的函數CH365SetIoBaseAddr，在DOS系統下可以使用此函數自行指定一個IO基地址，但是Windows系統通常為硬件預設了IO基地址，用戶強制指定的地址往往起不到效果。

CH365GetIoBaseAddr內部使用int86函數，調用了DOS的1AH中斷，輸入寄存器AH為固定值B1H，AL為07H～09H時 分 別表 示 按 字 節 （BYTE）， 字 （WORD） 和 雙 字（DWORD）讀取PCI設備配置空間的信息。

//CH365SetIoBaseAddr（（mPCH365_IO_REG）0x200）；

mIoBase=CH365GetIoBaseAddr（）；

iIoBase= （unsigned int）mIoBase；

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

2.4 設定硬件中斷

檢查和設定硬件中斷，使用函數CH365SetIntLine和CH365GetIntLine指定或讀取系統中保存的板卡中斷號。CH365SetIntLine內部使用int86函數，調用DOS的1AH中斷，輸入寄存器AH為固定值B1H，AL為0BH～0DH時分別表示按字節（BYTE），字（WORD）和雙字（DWORD）寫入到PCI設備配置空間。

注意此處被注釋的宏mCH365_INT_LINE_AUTO，它表示程序將使用缺省的中斷號。在DOS和Windows 9x環境中，也允許用戶自行指定中斷號，如下的代碼強行指定中斷號為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 中斷的控制

中斷服務程序是具有特定格式的函數，為保證運動控制卡的正常工作，中斷服務子程序的編寫必不可少。

3.1 初始化中斷服務程序

查找并設定設備中斷號，指定相應中斷服務程序，系統在收到設備的中斷信號時自動執行此函數的內容，如果不指定中斷服務程序，那么中斷將不會產生任何效果。

作為PCI板卡的前端設備，CH365控制中斷信號的發送，在執行中斷之前，應對mCh365IoCtrl發送控制字進行清零，否則可能無法開啟中斷。

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

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

3.2 開啟中斷

在DOS下，應向計算機系統申請打開中斷。此處假設中斷采用屏蔽中斷（INTR）的方式。PC機上的8088INTR中斷請求線與8259A中斷控制器的INT相連，而8259A有8個輸入端，可連8個外設，8259A接收來自外設的中斷請求信號，并把中斷源的類型號送給CPU[6]。從外設的中斷請求到CPU響應中斷有兩個控制條件起決定作用：

第一個條件，該外設中斷請求是否屏蔽，對于8259A中斷屏蔽寄存器IMR（口地址為21H）的某一位，若為0，則表示允許中斷；為1，該外設的中斷請求被屏蔽。

第二個條件，CPU是否允許中斷，即標志寄存器中IF是否等于1，若IF=0，CPU禁止中斷；IF=1，允許CPU響應中斷。

由此編寫代碼如下：

outportb（0x20， 0x20）；

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

此外，還應當注意PCI卡是如何產生中斷脈沖的，如果需要用戶向指定IO地址執行輸入才能夠觸發中斷，那么還需要編寫相應的板卡觸發代碼。

3.3 執行中斷

運行時系統將根據中斷周期自動進入中斷服務程序，中斷服務程序中必要的工作有：

檢查中斷信號是否來自此設備，因為其他的PCI設備可能產生同樣的中斷信號。

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

if（mChipIoCtrl&0x04） ……

此次中斷執行完成之后，應編寫退出代碼，必要的退出代碼包括CH365控制位清零，以及向系統申請退出中斷服務程序。注意，如果缺少退出語句，或者中斷服務程序中用戶要執行的工作太多，則可能造成中斷套疊以至計算機死鎖。

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

if（mIntLine>=8）

{

outportb（0xa0，0x20 ）；

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

}

else outportb（0x20，0x20 ）；

之后向計算機系統發出申請，退出中斷，也可以同時指定中斷服務程序為NULL。

outportb（0x21， inportb（0x21） |0x80）；

4 結束語

運用國產芯片CH365，設計開發了一塊PCI總線的運動控制卡，并編寫了配套的驅動程序，經實際測試，伺服電機選用日本信濃公司的交流伺服電機，型號為5CB06－1SE，驅動器選用其配套的HO 10AB CB 600C 17 F型數字式交流伺服驅動器，可進行步進式及脈沖式伺服電機控制，并能充分發揮電機性能，方便地實現運動控制。

[1]阮毅，陳維鈞.運動控制系統[M].北京：清華大學出版社，2006.

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

[3]覃琴．基于FPGA的PCI接口運動控制卡的研究 [D].成都：四川大學，2006.

[4]林劍豪.基于CH365型接口和MCX314As型運動控制器的PCI總線運動控制卡設計[J].電子設計工程，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，龐永鵬，譚子瑜.基于PCI總線的四軸運動控制卡的研制[J].微計算機信息，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]馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計[M].3版.北京：北京航空航天大學出版社，2005.