基于WinCE 環(huán)境的CAN 適配卡驅動程序的設計與實現
摘要:簡要介紹了嵌入式實時操作系統(tǒng)WinCE環(huán)境下驅動程序的設計原理和CAN總線技術,并詳細分析了依托PC/104總線的CAN適配卡底層驅動程序的設計與實現。
1.引言
WinCE 是一種為多種嵌入式系統(tǒng)和產品設計的緊湊、高效、可升級的操作系統(tǒng),WinCE 采用標準模式,其最主要的特征:為有限的硬件資源提供了多線程、多任務和完全優(yōu)先級的 計算環(huán)境。
WinCE 操作系統(tǒng)支持兩種類型的驅動程序:[1]本地驅動程序(Build-In),是把設備驅動程 序作為獨立任務實現,直接在頂層任務中實現硬件操作,完成特有專用的驅動程序;流接口 驅動程序,WinCE 的I/O 系統(tǒng)將設備程序作為內核過程實現,這種方式便于實現I/O 子系統(tǒng) 的層次模型,便于文件系統(tǒng)一起把設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,并把設備、文件及網絡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)服務和用戶接口。驅動程序封裝了將這些命令轉換為它所控制的設備上的適當操 作所需的全部信息。
流接口驅動程序有在啟動時加載和動態(tài)加載兩種方式。本文實現的在 WinCE 環(huán)境下流結構的PC/104-CAN 驅動程序是在系統(tǒng)啟動時加載的。
2. CAN 總線技術簡介
CAN總線是德國Bosch 公司開發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議,CAN 總線屬于總線式串行 通訊網絡,具有總線為多主方式工作且無需站地址節(jié)點信息、CAN 網絡上的節(jié)點信息分成 不同的優(yōu)先級、總線沖突仲裁時間低和總線的通信介質選擇靈活等優(yōu)點[2]。 CAN 適配卡的核心工作單元是它的控制器,控制器SJA1000 的組織結構如圖1 所示。
其中,接口管理邏輯(IML):[3]它接收來自微控制器的命令,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 網絡上的完整信息;位 流處理器(BSP):是一個控制發(fā)送緩存器和接收緩存器與CAN 總線之間控制數據流的程序 裝置,同時具有執(zhí)行錯誤檢測、仲裁、總線填充和錯誤處理的能力;位定時邏輯(BTL)單 元:主要監(jiān)視串口的CAN 總線,并處理與總線有關的位時序,使SJA1000 同步于CAN 總 線上的位流;錯誤管理邏輯(EML):主要完成接收BSP 的出錯報告,并按照CAN 協(xié)議完 成錯誤界定, 從而使 BSP 和IML 進行錯誤統(tǒng)計。
CAN 適配卡的硬件網絡工作環(huán)境示意圖如圖2 所示。
圖2 中,通用微機的操作系統(tǒng)是WinCE,上位通用微機通過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CAN 總線進行數據交換, 所采用的協(xié)議是CAN 協(xié)議。在CAN 協(xié)議中,報文的表示、傳送和控制主要由4 種類型的 幀來完成[4]:數據幀,攜帶數據信息,由發(fā)送器發(fā)送到接收器;遠程幀,主要用于請求發(fā)送 具有相同標識符的數據幀,是通過總線發(fā)送的;出錯幀標識總線錯誤,由檢測出總線錯誤的 任何總線單元產生;超載幀主要為當前的和后續(xù)的數據幀提供附加延遲。
3 CAN 適配卡驅動程序的設計與實現
從引言部分可知,流接口可以為各種設備提供統(tǒng)一的訪問接口,可以是字符設備、塊設 備、虛擬設備和網絡設備等。CAN 適配卡驅動程序的主要流程為[5]:應用程序調用函數 CreateFile 獲取CAN 設備句柄,文件系統(tǒng)將會調用CAN 驅動例程中的CAN_Open 來響應應 用程序的請求。當應用程序調用ReadFile 函數讀取CAN 設備上的字符時,文件系統(tǒng)將會調 用CAN 驅動例程中的CAN_Read 函數來讀取CAN 設備上的字符。
對于本文流接口的驅動程序而言,是通過實現如下幾個模塊來實現驅動的: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)啟動時由文件系統(tǒng)自動調用的,主要完成設備的初始化工作。另外,對于流接口 驅動程序可選函數CAN _PowerUp 和CAN _PowerDown,主要實現電源管理的功能。
限于篇幅,本文僅對主要的 CAN_Write 模塊、CAN_Read 模塊和中斷服務線程模塊的 實現作如下詳細詳細討論。
3.1 CAN_Write 模塊的實現
當 CAN 適配卡控制器在發(fā)送報文時,發(fā)送緩沖區(qū)對寫操作是鎖定的,這樣CPU 必須 檢查狀態(tài)寄存器的發(fā)送緩沖區(qū)狀態(tài)標志TBS,以確定可以將一個新報文寫入發(fā)送緩沖區(qū)中, 當發(fā)送緩沖區(qū)被鎖定(即標志TBS=0)時,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;當發(fā)送緩沖區(qū)被釋放(即標志TBS=1)時,CPU 將新報文寫入發(fā)送緩沖區(qū)中, 并置命令寄存器的發(fā)送請求標志TR,該標志導致發(fā)送的啟動。一旦發(fā)送成功中斷產生,表 明CAN 報文已經發(fā)送成功。重復上面的工作就可以完成發(fā)送多個CAN 報文的工作。 CAN_Write 模塊的流程圖如圖3 所示。
3.2 CAN_Read 模塊的實現
如果 CAN 接收到一個報文,該報文通過驗收濾波器驗收并放入接收FIFO,則產生一個 接收中斷。中斷服務程序接收到這個中斷后,將這個接收到的報文傳送到由驅動程序維護的 報文存儲區(qū)中,并置位命令寄存器的釋放緩存區(qū)標志RRB。CAN_Read 函數并不等待來自 CAN 控制器的接收報文成功中斷,而是讀取保存在由驅動程序維護的報文存儲區(qū)中的報文。 CAN_Read 函數的流程圖如圖4 所示。
驅動程序中的另外兩個模塊主要由 CAN_Close 、CAN_IoControl 函數來完成,前者主 要負責在關閉CAN 句柄時資源的回收任務,后者主要用于設置CAN 的工作參數,如波特 率,報文格式等,在此不作過多介紹。
4 結束語
本文的 CAN 適配卡驅動程序的開發(fā)環(huán)境:上位機是普通的PC 機,下位機的操作系統(tǒng) 是WinCE,硬件是深圳藍天工控有限公司的嵌入式PC/104 總線主板PCM3568。驅動程序 已經過測試、驗收。CAN 適配卡驅動程序運行可靠、通信穩(wěn)定。產品已經被多個產家應用 于實際的工業(yè)控制領域。