成進,施國梁

(蘇州大學 電子信息學院,蘇州 215006)

成進(碩士研究生),主要研究領域為計算機通信。

引 言

CAN總線是德國Bosch公司于1983年針對汽車應用而開發(fā)的,一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡,屬于現(xiàn)場總線的范疇。其通信距離與波特率有關,最大通信距離可達10 km,最大通信波特率可達 1 Mbps。CAN總線仲裁采用11位(CAN 2.0A協(xié)議)和29位(CAN 2.0B協(xié)議)標志,以及非破壞性仲裁總線結構機制,可以確定數(shù)據(jù)塊的優(yōu)先級,保證在網(wǎng)絡節(jié)點沖突時最高優(yōu)先級節(jié)點不需要沖突等待。CAN總線上的任何節(jié)點均可在任意時刻,主動向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息而不分主次,從而實現(xiàn)各節(jié)點之間的自由通信。目前,CAN總線協(xié)議已被國際標準化組織認證,技術比較成熟,已廣泛應用于汽車、工業(yè)、高速網(wǎng)絡和低價位多路連線等領域中。

μC/OS-II是Jean J.Labrosse開發(fā)的一種小型嵌入式操作系統(tǒng)。它實質(zhì)上是基于優(yōu)先級的可剝奪型內(nèi)核,系統(tǒng)中的所有任務都有一個唯一的優(yōu)先級別,適合應用于實時性要求較強的場合。本文采用μC/OS-II來設計CAN的驅動程序,以滿足系統(tǒng)的實時要求。

1 CAN節(jié)點的硬件設計

CAN節(jié)點是分布在CAN網(wǎng)絡中進行相互通信的基本單元,主要由主控制器、CAN控制器和CAN收發(fā)器組成。本設計中,節(jié)點的基本結構如圖1所示。在CAN網(wǎng)絡中,ECU(Electronic Control Unit)是指一個具有完整功能的CAN節(jié)點。

采用NXP公司的LPC2368作為CAN節(jié)點的主控制器。LPC2368是一款基于ARM7TDMIS內(nèi)核的RISC處理器,包含2個兼容CAN2.0B規(guī)范的CAN控制器。每個CAN控制器擁有雙重接收緩沖器和三態(tài)發(fā)送緩沖器,具有快速的硬件實現(xiàn)的搜索算法,可以支持大量的CAN標識符。

LPC2368是一款3.3 V器件,雖然其對應的CAN收發(fā)器接口引腳能夠承受5 V電壓,但為了讓CAN節(jié)點能夠更穩(wěn)定地運行,這里采用TI公司的3.3 V CAN收發(fā)器SN 65HVD230D與之配合使用。憑借高輸入阻抗特性,SN 65 HVD230D可以在一條總線上支持多達120個CAN節(jié)點,并且能夠和5 V的CAN收發(fā)器良好地兼容。本文重點介紹CAN驅動程序的設計方法。

圖1 CAN節(jié)點基本結構

2 CAN驅動程序設計總體思想

為了使軟件可移植性強、易于維護,采用分層的方法編寫CAN驅動程序。驅動程序分層結構如圖2所示。圖中,雙向箭頭表示實時操作系統(tǒng)μC/OS-II與CAN驅動程序之間的數(shù)據(jù)交換,單向箭頭表示上層軟件對下層軟件的調(diào)用。

圖2 驅動程序分層結構

3 CAN設備控制層和CAN接口控制層

CAN設備控制層的主要任務是:初始化主控制器與CAN控制器之間的連接配置,復位CAN控制器,建立主控制器和CAN控制器之間的通信函數(shù)。由于LPC2368內(nèi)部集成了CAN控制器,CPU可以通過內(nèi)部APB總線接口對CAN控制器的所有寄存器進行訪問,所以不再需要編寫設備控制驅動層程序,已經(jīng)完全由硬件實現(xiàn)了。

CAN接口控制層主要任務是:實現(xiàn)CAN控制器的各種功能,如設置控制模式、發(fā)送數(shù)據(jù)、釋放接收緩沖區(qū)、配置驗收濾波器等。這些操作都是通過讀寫CAN控制器的內(nèi)部相關寄存器來實現(xiàn)的。

CAN控制器初始化程序(在應用層中實現(xiàn),內(nèi)部調(diào)用的函數(shù)也都是在該層中編寫的)如下:

為了使程序更加簡潔、可讀性更強,可以通過宏定義的形式進行編寫。例如:

#define CAN_MOD_RM()CAN1MOD|=1

CAN1MOD是CAN控制器的模式寄存器,最低位置1可使CAN控制器進入復位模式。這種模式下,可以對控制器的所有寄存器進行寫操作。其他對CAN控制器內(nèi)部寄存器的操作可以參照LPC2368的技術手冊。

4 CAN協(xié)議層

從OSI網(wǎng)絡模型的角度來看,現(xiàn)場總線網(wǎng)絡一般實現(xiàn)了第1層(物理層)、第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)、第7層(應用層);而CAN現(xiàn)場總線僅僅定義了第1層、第2層,這兩層分別由CAN收發(fā)器和CAN控制器實現(xiàn)。CAN總線沒有規(guī)定應用層,本身并不完整,因此需要一個高層協(xié)議來定義CAN報文中11/29位標識符、8字節(jié)的使用。目前,已經(jīng)有一些國際上標準的CAN總線高層協(xié)議,例如DeviceNet協(xié)議和CANopen協(xié)議;但是這個協(xié)議規(guī)范比較復雜,理解和開發(fā)難度都比較大,對于一些并不復雜的基于CAN總線的控制網(wǎng)絡不太適合。本設計采用國內(nèi)周立功CAN開發(fā)組織根據(jù)實際應用制定的簡單的CAN應用層協(xié)議I-CAN協(xié)議,作為軟件設計的CAN協(xié)議層。I-CAN協(xié)議中的29位幀標識符定義如表1所列。

表1 I-CAN協(xié)議中29位幀標識符定義

CAN總線仲裁是從標識符的最高位(28位)開始逐位進行的。每一個發(fā)送器都對發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的總線電平進行比較:如果相同,則這個單元可以繼續(xù)發(fā)送;如果發(fā)送的是“隱性”(邏輯1)電平,而監(jiān)控到的卻為“顯性”(邏輯0)電平,那么該單元就失去了仲裁,必須退出發(fā)送狀態(tài)。根據(jù)I-CAN源節(jié)點編號部分可以看出,節(jié)點的地址編號越小,優(yōu)先級也就越高,在仲裁時能夠優(yōu)先獲得總線使用權。在CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)中,節(jié)點越重要,分配的地址編號的優(yōu)先級相應地也越高。譬如,車載網(wǎng)絡中的發(fā)動機電控單元就應該比定向大燈電控單元的優(yōu)先級高,這樣才能保證重要的報文及時傳送出去。在節(jié)點接收到報文之后,應用程序依據(jù)I-CAN協(xié)議解析報文標識符,并實現(xiàn)其指定的功能。

5 CAN應用層

CAN應用層實現(xiàn)CAN控制器的所有功能。CAN設備控制驅動層、CAN接口驅動層和CAN協(xié)議層都在應用層的控制之中。應用層主要實現(xiàn)的任務包括:

①初始化CAN控制器,以及與應用層相關的全局變量。

②編寫CAN控制器的中斷服務程序。

③報文處理任務。該任務基于I-CAN協(xié)議來解析報文,并實現(xiàn)報文指示的功能。

④報文發(fā)送任務。該任務存儲未能發(fā)送的報文,并在發(fā)送緩沖區(qū)可用的情況下自動發(fā)送報文。

初始化CAN控制器的程序詳見第3節(jié)。由于初始化CAN控制器直接和CAN物理層及鏈路層的性能掛鉤,因此只有依據(jù)具體應用環(huán)境正確地配置CAN控制器,才能使系統(tǒng)穩(wěn)定地運行。

5.1 中斷服務程序

中斷服務程序用來判斷CAN控制器的中斷類型,并作出相應的響應。具體程序如下:

這里只對接收中斷、發(fā)送中斷以及總線錯誤中斷進行闡述,其他類型的CAN中斷處理應根據(jù)具體系統(tǒng)進行具體設計。

5.1.1 接收中斷

接收中斷處理函數(shù)CAN1_RI_HANDLE()負責接收報文,并將報文發(fā)送到任務的消息隊列中。其代碼如下:

其中,RI_DATA為定義的結構體CAN_MSG變量;CAN 1RFS、CAN1RID、CAN1 RDA 和 CAN1RDB 分別為CAN控制器存儲接收報文幀信息、標識符、數(shù)據(jù)字節(jié)的寄存器。CAN_MSG結構體如下所示:

5.1.2 發(fā)送中斷

當發(fā)送中斷處理函數(shù)通過TX_CNT判斷出報文發(fā)送函數(shù)的消息隊列中有待發(fā)送報文時,通過函數(shù)OSSem Post(CAN_TX_OVER)向其發(fā)送信號量,通知其可以發(fā)送報文了。若TX_CNT為0,說明消息隊列中沒有待發(fā)送的報文,則不發(fā)送信號量。

5.1.3 總線錯誤中斷

CAN1_BEI_HANDLE()通過查詢中斷和捕獲寄存器來判斷是何種錯誤類型,并將它記錄下來以便于系統(tǒng)診斷。

由于CAN1_RI_HANDLE()和OSSem Post()都可能就緒等待中的任務,所以為了保證系統(tǒng)能夠嚴格按照優(yōu)先級來執(zhí)行任務。程序采用OSIntExit()函數(shù)進行中斷級任務切換,在執(zhí)行完中斷服務程序后運行一個具有最高級別的任務,而不是返回被中斷的任務。

5.2 應用層面臨的問題及解決方法

下面將結合應用層面臨的實際問題,對報文處理和報文發(fā)送函數(shù)進行詳細闡述。

①CAN節(jié)點將CAN中斷設為FIQ中斷,而其他中斷設為不同優(yōu)先級的IRQ中斷。由于FIQ中斷能夠打斷IRQ中斷,所以節(jié)點在任何情況下都能盡快地響應CAN中斷,提高了系統(tǒng)的實時性。

編寫的CAN中斷服務程序應該越短越好,在不影響系統(tǒng)性能的情況下盡量將中斷服務任務放到中斷服務程序外執(zhí)行,以便盡早退出FIQ中斷模式,從而使節(jié)點能夠響應新的中斷,減少系統(tǒng)中的中斷延時。其中,接收中斷處理是最占用節(jié)點資源的,它不僅需要根據(jù)I-CAN協(xié)議對報文進行解析,還需要執(zhí)行報文指定的功能,所以必須放到中斷服務程序外執(zhí)行。解決的辦法是,通過μC/OSII中的OSTaskCreate()函數(shù)建立一個報文處理任務,這個任務由一個請求消息隊列函數(shù)OSQPend()和一個報文解析處理函數(shù)組成。報文處理函數(shù)如下:

如果需要發(fā)送CAN報文,首先要查詢是否有可用的發(fā)送緩沖區(qū):若有則可用就直接發(fā)送,無須通過消息隊列作為中介,從而提高程序運行效率;若都被鎖定,則調(diào)用OSQPost()將報文發(fā)送到報文發(fā)送函數(shù)的消息隊列MESSAGE_TX中,并執(zhí)行TX_CNT++操作。

②在繁忙的CAN網(wǎng)絡中,節(jié)點可能會由于仲裁丟失而無法及時將數(shù)據(jù)傳輸,因此必須要對待發(fā)送的數(shù)據(jù)進行存儲,等待節(jié)點獲得總線使用權時再發(fā)送出去。LPC2368的CAN控制器有一個三態(tài)發(fā)送緩沖區(qū),最多能夠存儲3個報文。若3個緩沖區(qū)都處于鎖定狀態(tài)(報文正在等待發(fā)送或正處于發(fā)送過程),而又有一個報文需要發(fā)送,則需要額外的緩沖區(qū)先將它存儲起來,以待節(jié)點獲得總線使用權時再發(fā)送。

定義一個指針數(shù)組,把建立的消息數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的首地址存入這個數(shù)組中,然后再調(diào)用OSQCreate()函數(shù)來創(chuàng)建一個用于存儲發(fā)送報文的消息隊列MESSAGE_TX,最后通過OSTaskCreate()函數(shù)建立一個負責發(fā)送報文的任務。該任務由一個請求消息隊列函數(shù)OSQPend()和一個請求信號量函數(shù)OSSemPend()組成。報文發(fā)送函數(shù)如下:

其中,變量TX_CNT記錄MESSAGE_TX中的報文數(shù)目。任務向MESSAGE_TX發(fā)送一個報文,TX_CNT就加1;報文發(fā)送函數(shù)成功發(fā)送一個報文,TX_CNT就減1。這樣,中斷服務程序就可以根據(jù)TX_CNT來判斷是否有向CAN_TX_OVER發(fā)送信號量的必要,減少了不必要的冗余操作。

除非在CAN節(jié)點任務中有比將處理好的CAN報文發(fā)送出去更重要的任務要做,一般來講,報文發(fā)送任務在節(jié)點任務中應該具有最高的優(yōu)先級,以保證CAN系統(tǒng)的實時性。

③LPC2368的最高運行速率可達72 MHz,而CAN最高傳輸速率為1 Mb/s。一般情況下,即使連續(xù)接收到2個報文,CPU也完全有能力在接收完第、2個報文前將第1個報文處理完畢,所以只需要建立一個報文處理任務。

還有些要完成較復雜任務的節(jié)點,譬如車載網(wǎng)絡中的中央控制部件(BSI)。在全CAN車載網(wǎng)絡中,它同時連接內(nèi)部網(wǎng)、車身網(wǎng)和舒適網(wǎng)3個網(wǎng)絡。作為汽車車載網(wǎng)絡系統(tǒng)中樞,BSI任務繁重,對CAN報文的處理經(jīng)常會被各種中斷和內(nèi)部任務打斷,所以不能保證及時處理上一次接收的CAN報文。另外,由于消息隊列是采取先進先出(FIFO)或者后進先出(LIFO)的方式來組織報文的,當消息隊列中積攢多個還沒處理的報文時,無法先取出優(yōu)先級最高的報文進行處理。為了能夠優(yōu)先處理重要設備發(fā)送過來的報文,必須針對系統(tǒng)中每個與本節(jié)點有進行CAN通信關系的節(jié)點建立一個獨立的報文處理任務。這個任務包含一個獨立的消息隊列,并且發(fā)送報文的節(jié)點優(yōu)先級越高,該任務設置的優(yōu)先級也應該越高。為此CAN1_RI_HANDLE()函數(shù)也應該做出相應的修改。修改之后的程序代碼如下所示:

再結合CAN鏈路層的仲裁機制,就可以保證優(yōu)先級別高的節(jié)點優(yōu)先發(fā)送報文,并被接收節(jié)點優(yōu)先處理。至此,CAN驅動程序的整個脈絡已經(jīng)非常清晰,其總體流程略——編者注。

結 語

本文基于μC/OS-II操作系統(tǒng)、針對實時性要求較高的CAN系統(tǒng)編寫的CAN驅動程序簡潔、高效,在不同的應用環(huán)境下只需添加相應的用戶代碼,就可以組成完整的CAN驅動程序。但在提高高優(yōu)先級節(jié)點實時性的同時,在一定程度上也降低了低優(yōu)先級節(jié)點的實時性,所以在工程應用中應根據(jù)實際需要兼顧高低優(yōu)先級節(jié)點的實時性能。

編者注:本刊為期刊縮略版,全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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