基于WinCE環(huán)境的CAN適配卡驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

WinCE是一種為多種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的緊湊、高效、可升級(jí)的操作系統(tǒng)，WinCE 采用標(biāo)準(zhǔn)模式，其最主要的特征：為有限的硬件資源提供了多線程、多任務(wù)和完全優(yōu)先級(jí)的計(jì)算環(huán)境。

WinCE操作系統(tǒng)支持兩種類型的驅(qū)動(dòng)程序：[1]本地驅(qū)動(dòng)程序(Build-In)，是把設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序作為獨(dú)立任務(wù)實(shí)現(xiàn)，直接在頂層任務(wù)中實(shí)現(xiàn)硬件操作，完成特有專用的驅(qū)動(dòng)程序；流接口驅(qū)動(dòng)程序，WinCE的I/O系統(tǒng)將設(shè)備程序作為內(nèi)核過(guò)程實(shí)現(xiàn)，這種方式便于實(shí)現(xiàn)I/O子系統(tǒng)的層次模型，便于文件系統(tǒng)一起把設(shè)備作為特殊文件處理，提供統(tǒng)一的管理、統(tǒng)一的界面和統(tǒng)一的使用方法，并把設(shè)備、文件及網(wǎng)絡(luò)通信組織成為一致的更高層次的抽象，為用戶提供統(tǒng)一的系統(tǒng)服務(wù)和用戶接口。驅(qū)動(dòng)程序封裝了將這些命令轉(zhuǎn)換為它所控制的設(shè)備上的適當(dāng)操作所需的全部信息。流接口驅(qū)動(dòng)程序有在啟動(dòng)時(shí)加載和動(dòng)態(tài)加載兩種方式。本文實(shí)現(xiàn)的在WinCE環(huán)境下流結(jié)構(gòu)的PC/104-CAN驅(qū)動(dòng)程序是在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)加載的。

2. CAN總線技術(shù)簡(jiǎn)介

?????? CAN總線是德國(guó)Bosch公司開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，CAN總線屬于總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)，具有總線為多主方式工作且無(wú)需站地址節(jié)點(diǎn)信息、CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)、總線沖突仲裁時(shí)間低和總線的通信介質(zhì)選擇靈活等優(yōu)點(diǎn)[2]。

CAN適配卡的核心工作單元是它的控制器，控制器SJA1000的組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SJA1000的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖

其中，接口管理邏輯（IML）：[3]它接收來(lái)自微控制器的命令，控制CAN寄存器的尋址，并向微控制器提供中斷和狀態(tài)信息；發(fā)送緩存器：存貯發(fā)送到CAN網(wǎng)絡(luò)上的完整信息；位流處理器（BSP）：是一個(gè)控制發(fā)送緩存器和接收緩存器與CAN總線之間控制數(shù)據(jù)流的程序裝置，同時(shí)具有執(zhí)行錯(cuò)誤檢測(cè)、仲裁、總線填充和錯(cuò)誤處理的能力；位定時(shí)邏輯（BTL）單元：主要監(jiān)視串口的CAN總線，并處理與總線有關(guān)的位時(shí)序，使SJA1000同步于CAN總線上的位流；錯(cuò)誤管理邏輯（EML）：主要完成接收BSP的出錯(cuò)報(bào)告，并按照CAN協(xié)議完成錯(cuò)誤界定， 從而使BSP和IML進(jìn)行錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)。

CAN適配卡的硬件網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境示意圖如圖2所示。

圖2 CAN適配卡應(yīng)用系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

??? 圖2 中，通用微機(jī)的操作系統(tǒng)是WinCE，上位通用微機(jī)通過(guò)PC/104總線與CAN接口適配卡相連，CAN接口適配卡與具有CAN接口的串行芯片通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所采用的協(xié)議是CAN協(xié)議。在CAN協(xié)議中，報(bào)文的表示、傳送和控制主要由4種類型的幀來(lái)完成[4]：數(shù)據(jù)幀，攜帶數(shù)據(jù)信息，由發(fā)送器發(fā)送到接收器；遠(yuǎn)程幀，主要用于請(qǐng)求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀，是通過(guò)總線發(fā)送的；出錯(cuò)幀標(biāo)識(shí)總線錯(cuò)誤，由檢測(cè)出總線錯(cuò)誤的任何總線單元產(chǎn)生；超載幀主要為當(dāng)前的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀提供附加延遲。

3 CAN適配卡驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

從引言部分可知，流接口可以為各種設(shè)備提供統(tǒng)一的訪問(wèn)接口，可以是字符設(shè)備、塊設(shè)備、虛擬設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。CAN適配卡驅(qū)動(dòng)程序的主要流程為[5]：應(yīng)用程序調(diào)用函數(shù)CreateFile獲取CAN設(shè)備句柄，文件系統(tǒng)將會(huì)調(diào)用CAN驅(qū)動(dòng)例程中的CAN_Open來(lái)響應(yīng)應(yīng)用程序的請(qǐng)求。當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用ReadFile函數(shù)讀取CAN設(shè)備上的字符時(shí)，文件系統(tǒng)將會(huì)調(diào)用CAN驅(qū)動(dòng)例程中的CAN_Read函數(shù)來(lái)讀取CAN設(shè)備上的字符。

對(duì)于本文流接口的驅(qū)動(dòng)程序而言，是通過(guò)實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的：CAN_Open、CAN _Close、CAN _Read、CAN _Write、CAN _IoControl和CAN _Init等模塊。其中CAN _Init模塊是系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)由文件系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用的，主要完成設(shè)備的初始化工作。另外，對(duì)于流接口驅(qū)動(dòng)程序可選函數(shù)CAN _PowerUp和CAN _PowerDown，主要實(shí)現(xiàn)電源管理的功能。

限于篇幅，本文僅對(duì)主要的CAN_Write模塊、CAN_Read模塊和中斷服務(wù)線程模塊的實(shí)現(xiàn)作如下詳細(xì)詳細(xì)討論。

3.1 CAN_Write模塊的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)CAN適配卡控制器在發(fā)送報(bào)文時(shí)，發(fā)送緩沖區(qū)對(duì)寫操作是鎖定的，這樣CPU必須檢查狀態(tài)寄存器的發(fā)送緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)志TBS，以確定可以將一個(gè)新報(bào)文寫入發(fā)送緩沖區(qū)中，當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)被鎖定（即標(biāo)志TBS=0）時(shí)，CPU周期性地查詢狀態(tài)寄存器，等待發(fā)送緩沖區(qū)被釋放；當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)被釋放（即標(biāo)志TBS=1）時(shí)，CPU將新報(bào)文寫入發(fā)送緩沖區(qū)中，并置命令寄存器的發(fā)送請(qǐng)求標(biāo)志TR，該標(biāo)志導(dǎo)致發(fā)送的啟動(dòng)。一旦發(fā)送成功中斷產(chǎn)生，表明CAN報(bào)文已經(jīng)發(fā)送成功。重復(fù)上面的工作就可以完成發(fā)送多個(gè)CAN報(bào)文的工作。CAN_Write模塊的流程圖如圖3所示。

圖3 CAN_Write函數(shù)的流程圖

3.2 CAN_Read模塊的實(shí)現(xiàn)

?????? 如果CAN接收到一個(gè)報(bào)文，該報(bào)文通過(guò)驗(yàn)收濾波器驗(yàn)收并放入接收FIFO，則產(chǎn)生一個(gè)接收中斷。中斷服務(wù)程序接收到這個(gè)中斷后，將這個(gè)接收到的報(bào)文傳送到由驅(qū)動(dòng)程序維護(hù)的報(bào)文存儲(chǔ)區(qū)中，并置位命令寄存器的釋放緩存區(qū)標(biāo)志RRB。CAN_Read函數(shù)并不等待來(lái)自CAN控制器的接收?qǐng)?bào)文成功中斷，而是讀取保存在由驅(qū)動(dòng)程序維護(hù)的報(bào)文存儲(chǔ)區(qū)中的報(bào)文。CAN_Read函數(shù)的流程圖如圖4所示。

圖4 CAN_Read函數(shù)的流程圖

3.3中斷服務(wù)線程模塊的實(shí)現(xiàn)

在CAN適配卡的SJA1000控制器中，報(bào)文的發(fā)送與接受是采用中斷方式來(lái)完成的。以報(bào)文的中斷發(fā)送為例，在向CAN數(shù)據(jù)寄存器中寫入報(bào)文并且向命令寄存器寫入發(fā)送命令后，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用WaitForSingleObject函數(shù)將當(dāng)前的發(fā)送線程掛起在某個(gè)事件的任務(wù)隊(duì)列中，觸發(fā)該事件將會(huì)使系統(tǒng)調(diào)度掛起在該事件的任務(wù)隊(duì)列中的任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行，而該事件只有在CAN控制器產(chǎn)生發(fā)送成功中斷后在中斷服務(wù)線程中觸發(fā)。中斷服務(wù)線程程序流程圖如圖5所示。

圖5 中斷服務(wù)線程程序流程圖

驅(qū)動(dòng)程序中的另外兩個(gè)模塊主要由CAN_Close 、CAN_IoControl函數(shù)來(lái)完成，前者主要負(fù)責(zé)在關(guān)閉CAN句柄時(shí)資源的回收任務(wù)，后者主要用于設(shè)置CAN的工作參數(shù)，如波特率，報(bào)文格式等，在此不作過(guò)多介紹。

4 結(jié)束語(yǔ)

?????? 本文的CAN適配卡驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)環(huán)境：上位機(jī)是普通的PC機(jī)，下位機(jī)的操作系統(tǒng)是WinCE，硬件是深圳藍(lán)天工控有限公司的嵌入式PC/104總線主板PCM3568。驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)過(guò)測(cè)試、驗(yàn)收。CAN適配卡驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行可靠、通信穩(wěn)定。產(chǎn)品已經(jīng)被多個(gè)產(chǎn)家應(yīng)用于實(shí)際的工業(yè)控制領(lǐng)域。