摘要：簡(jiǎn)要介紹了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)WinCE環(huán)境下驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)原理和CAN總線技術(shù)，并詳細(xì)分析了依托PC/104總線的CAN適配卡底層驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1.引言

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。

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 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。

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。

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。