基于WinCE環(huán)境的CAN適配卡驅(qū)動程序的設(shè)計與實現(xiàn)

WinCE是一種為多種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)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(wù)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(qū)動程序：[1]本地驅(qū)動程序(Build-In)，是把設(shè)備驅(qū)動程序作為獨立任務(wù)實現(xiàn)，直接在頂層任務(wù)中實現(xiàn)硬件操作，完成特有專用的驅(qū)動程序；流接口驅(qū)動程序，WinCE的I/O系統(tǒng)將設(shè)備程序作為內(nèi)核過程實現(xiàn)，這種方式便于實現(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)動程序有在啟動時加載和動態(tài)加載兩種方式。本文實現(xiàn)的在WinCE環(huán)境下流結(jié)構(gòu)的PC/104-CAN驅(qū)動程序是在系統(tǒng)啟動時加載的。

2. CAN總線技術(shù)簡介

?????? CAN總線是德國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需站地址節(jié)點信息、CAN網(wǎng)絡(luò)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(zhì)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(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(guān)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(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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀，攜帶數(shù)據(jù)信息，由發(fā)送器發(fā)送到接收器；遠程幀，主要用于請求發(fā)送具有相同標識符的數(shù)據(jù)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(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)動程序的設(shè)計與實現(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)將會調(diào)用CAN驅(qū)動例程中的CAN_Open來響應(yīng)應(yīng)用程序的請求。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，文件系統(tǒng)將會調(diào)用CAN驅(qū)動例程中的CAN_Read函數(shù)來讀取CAN設(shè)備上的字符。

對于本文流接口的驅(qū)動程序而言，是通過實現(xiàn)如下幾個模塊來實現(xiàn)驅(qū)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(diào)用的，主要完成設(shè)備的初始化工作。另外，對于流接口驅(qū)動程序可選函數(shù)CAN _PowerUp和CAN _PowerDown，主要實現(xiàn)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(wù)線程模塊的實現(xiàn)作如下詳細詳細討論。

3.1 CAN_Write模塊的實現(xiàn)

當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)致發(fā)送的啟動。一旦發(fā)送成功中斷產(chǎn)生，表明CAN報文已經(jīng)發(fā)送成功。重復(fù)上面的工作就可以完成發(fā)送多個CAN報文的工作。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模塊的實現(xiàn)

?????? 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(chǎn)生一個接收中斷。中斷服務(wù)程序接收到這個中斷后，將這個接收到的報文傳送到由驅(qū)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(shù)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(qū)動程序維護的報文存儲區(qū)中的報文。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)線程模塊的實現(xiàn)

在CAN適配卡的SJA1000控制器中，報文的發(fā)送與接受是采用中斷方式來完成的。以報文的中斷發(fā)送為例，在向CAN數(shù)據(jù)寄存器中寫入報文并且向命令寄存器寫入發(fā)送命令后，系統(tǒng)通過調(diào)用WaitForSingleObject函數(shù)將當(dāng)前的發(fā)送線程掛起在某個事件的任務(wù)隊列中，觸發(fā)該事件將會使系統(tǒng)調(diào)度掛起在該事件的任務(wù)隊列中的任務(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)動程序中的另外兩個模塊主要由CAN_Close 、CAN_IoControl函數(shù)來完成，前者主要負責(zé)在關(guān)閉CAN句柄時資源的回收任務(wù)，后者主要用于設(shè)置CAN的工作參數(shù)，如波特率，報文格式等，在此不作過多介紹。

4 結(jié)束語

?????? 本文的CAN適配卡驅(qū)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(qū)動程序已經(jīng)過測試、驗收。CAN適配卡驅(qū)動程序運行可靠、通信穩(wěn)定。產(chǎn)品已經(jīng)被多個產(chǎn)家應(yīng)用于實際的工業(yè)控制領(lǐng)域。