汽車(chē)ECU標(biāo)定系統(tǒng)CAN驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn)

1  前言

標(biāo)定是指根據(jù)整車(chē)的各種性能要求(如動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放及輔助功能等)，來(lái)調(diào)整、優(yōu)化和確定整車(chē)上各ECU(如發(fā)動(dòng)機(jī)、AT等各子系統(tǒng) ECU)控制參數(shù)的控制算法。標(biāo)定系統(tǒng)主要是由上位機(jī)和底層ECU這二部分組成，因此，上位機(jī)和底層ECU的通信方式對(duì)整個(gè)標(biāo)定系統(tǒng)的性能起到了至關(guān)重要的作用。目前，一般的標(biāo)定系統(tǒng)都是采用基于串行口的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，這種通信方式容易實(shí)現(xiàn)，但存在著通信速度較慢、可靠性較低等缺陷。這里我們采用的是CAN總線的通信方式，相對(duì)串口通信，基于CAN總線的通信方式具有通信可靠[1]、傳輸速度快、可實(shí)現(xiàn)在線編程等優(yōu)點(diǎn)。

2  總體設(shè)計(jì)

CAN通信可視為系統(tǒng)的一個(gè)I/O字符流設(shè)備[3]，它在完成普通收發(fā)功能的同時(shí)，還要能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序必備的設(shè)備無(wú)關(guān)性。即驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)將系統(tǒng)所有的硬件特性封裝起來(lái)，為使用該設(shè)備的應(yīng)用程序提供與硬件無(wú)關(guān)的、通用的編程接口，應(yīng)用層程序編寫(xiě)人員無(wú)需了解設(shè)備的原理，即可順利實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制，通過(guò)該設(shè)備實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)交換。另外，針對(duì)CAN通信和嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，該驅(qū)動(dòng)程序要求收發(fā)數(shù)據(jù)代碼可靠，延遲短，占用系統(tǒng)時(shí)間短，中斷執(zhí)行時(shí)間短，關(guān)閉中斷時(shí)間短，并在收發(fā)錯(cuò)誤和發(fā)生異常情況時(shí)，向應(yīng)用程序匯報(bào)。另外，該驅(qū)動(dòng)程序需要監(jiān)控CAN控制器的工作狀態(tài)，在出現(xiàn)致命錯(cuò)誤和脫離總線時(shí)，為CAN模塊復(fù)位，并向系統(tǒng)匯報(bào)。

圖1 驅(qū)動(dòng)程序總體結(jié)構(gòu)圖

基于以上需求分析，結(jié)合其他OS中實(shí)現(xiàn)I/O串行設(shè)備的驅(qū)動(dòng)方案及CAN的總線要求特點(diǎn)，設(shè)計(jì)總體驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)如圖1。   

3  CAN驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn)

基于以上總體設(shè)計(jì)框架，首先定義一個(gè)CAN類(lèi)來(lái)封裝CAN通信中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)，最下面一層為中斷級(jí)程序，中斷處理程序在每次CAN控制器完成收發(fā)時(shí)，喚醒驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)行下一步工作。在中斷處理程序中，根據(jù)不同的中斷向量來(lái)確定當(dāng)前發(fā)生的是發(fā)送完成中斷還是接受完成中斷，并完成相應(yīng)工作。中間一層為底層驅(qū)動(dòng)程序，底層驅(qū)動(dòng)程序主要是通過(guò)對(duì)CAN控制器寄存器的讀寫(xiě)，完成對(duì)CAN端口的配置和狀態(tài)檢測(cè)等工作，同時(shí)為設(shè)備無(wú)關(guān)軟件和用戶(hù)程序提供接口。在這一層中，必須要建立一個(gè)環(huán)狀緩沖結(jié)構(gòu)，該緩沖由一個(gè)接收環(huán)狀緩沖區(qū)和一個(gè)發(fā)送環(huán)狀緩沖區(qū)組成，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下代碼所示，對(duì)于每個(gè)環(huán)狀緩沖區(qū)，設(shè)計(jì)了一個(gè)存入指針指向下一個(gè)待存入CANMsg的存入地址，一個(gè)讀出指針指向緩沖區(qū)下一個(gè)待取出的（最舊的）CANMsg的地址，一個(gè)計(jì)數(shù)器記錄目前緩沖區(qū)中有多少個(gè)CANMsg待取出，一個(gè)信號(hào)量，用于與應(yīng)用程序交換消息。接收環(huán)狀緩沖區(qū)用于緩沖接收到的總線消息，等待應(yīng)用程序處理，發(fā)送環(huán)狀緩沖區(qū)用于緩沖應(yīng)用程序發(fā)送出的消息，等待發(fā)送中斷程序來(lái)處理。

typedef struct{   //環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

INT16U   RingBufRxCtr;       //接收計(jì)數(shù)器

OS_EVENT *RingBufRxSem;    //信號(hào)量

CAN_msg  *RingBufRxInPtr;    //接收緩沖區(qū)的存入指針

CAN_msg  *RingBufRxOutPtr;  //接收緩沖區(qū)的讀出指針

CAN_msg  RingBufRx[CAN_RX_BUF_SIZE];  //接收緩沖區(qū)的消息存儲(chǔ)

INT16U   RingBufTxCtr;  //發(fā)送計(jì)數(shù)器

OS_EVENT *RingBufTxSem;

CAN_msg  *RingBufTxInPtr;    //發(fā)送緩沖區(qū)的存入指針

CAN_msg  *RingBufTxOutPtr;  //發(fā)送緩沖區(qū)的讀出指針

CAN_msg  RingBufTx[CAN_TX_BUF_SIZE];  //發(fā)送緩沖區(qū)的消息存儲(chǔ)

}CAN_RING_BUF;

 3.1 底層驅(qū)動(dòng)

底層驅(qū)動(dòng)模塊為我們應(yīng)用程序提供了接收和發(fā)送消息的接口函數(shù)。

圖2  CAN接收消息

當(dāng)接收消息時(shí)[3]，如圖2所示，應(yīng)用程序在信號(hào)量處等待；收到一個(gè)消息后，ISR從串行端口讀入消息，將其存入環(huán)型緩沖區(qū)。然后ISR發(fā)出信號(hào)量，通知在等待串口數(shù)據(jù)的任務(wù)已收到一個(gè)消息。等待任務(wù)收到信號(hào)量后，進(jìn)入就緒狀態(tài)，準(zhǔn)備被OS調(diào)度器激活。當(dāng)內(nèi)核調(diào)度該任務(wù)運(yùn)行時(shí)，該任務(wù)從環(huán)狀緩沖區(qū)中取出消息，完成接收消息的過(guò)程。

void CAN_GetMsg(CAN_msg *msg){

INT8U   oserr;

OS_CPU_SR cpu_sr;

CAN_RING_BUF *pbuf;

pbuf = &ringbuf;

OSSemPend(pbuf->RingBufRxSem,0,&oserr);   //等待信號(hào)量

OS_ENTER_CRITICAL();//關(guān)中斷

pbuf->RingBufRxCtr--;//接收計(jì)數(shù)器減1

CopyMsg(pbuf->RingBufRxOutPtr++,msg); //從環(huán)形緩沖區(qū)中取出信號(hào)量         

if(pbuf->RingBufRxOutPtr==&pbuf->RingBufRx[CAN_RX_BUF_SIZE]) {pbuf->RingBufRxOutPtr= &pbuf->RingBufRx[0];

//如果環(huán)形緩沖區(qū)的讀出指針達(dá)到緩沖區(qū)的最末端，將其改為指向緩沖區(qū)的首地址  }

OS_EXIT_CRITICAL();  //開(kāi)中斷，允許CPU響應(yīng)中斷   }

發(fā)送CAN消息與接受消息類(lèi)似。后臺(tái)進(jìn)程將欲發(fā)送的消息幀存儲(chǔ)于發(fā)送環(huán)狀緩沖區(qū)中。當(dāng)CAN端口準(zhǔn)備發(fā)送一幀消息時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷，CAN消息從緩沖區(qū)中取出，并由ISR輸出[4]。但其中出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：CAN端口只能在發(fā)送上一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)束的時(shí)候才會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，這個(gè)產(chǎn)生中斷的時(shí)刻與我們需要執(zhí)行中斷任務(wù)的時(shí)間是不一致的。解決這個(gè)問(wèn)題的方法就是，禁止發(fā)送端中斷使能直到需要再發(fā)送消息為止。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，禁止發(fā)送中斷，發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)消息幀，這時(shí)發(fā)送完成中斷標(biāo)志位已經(jīng)被置位，但由于發(fā)送中斷使能位為低，所以無(wú)法發(fā)生中斷，系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)需發(fā)送第一個(gè)消息時(shí)，將該消息放入發(fā)送環(huán)狀緩沖區(qū)，然后運(yùn)行發(fā)送中斷，這時(shí)，上一次發(fā)送消息完成中斷產(chǎn)生，發(fā)送該消息。在發(fā)送消息結(jié)束時(shí)，若發(fā)送環(huán)狀緩沖區(qū)中有其他數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則清中斷源，等待該消息發(fā)送完成中斷產(chǎn)生，來(lái)發(fā)送下一個(gè)消息，若沒(méi)有其他數(shù)據(jù)需要被發(fā)送，則直接禁止發(fā)送中斷，將該消息發(fā)送完成時(shí)產(chǎn)生的中斷保留到下一次有消息需要發(fā)送時(shí)發(fā)生。

圖3  CAN發(fā)送消息

發(fā)送消息的方法如圖3。當(dāng)發(fā)送環(huán)狀緩沖區(qū)已滿(mǎn)時(shí)，信號(hào)量作為指示，暫停發(fā)送任務(wù)。發(fā)送消息時(shí)，任務(wù)等待信號(hào)量。如果環(huán)狀緩沖區(qū)未滿(mǎn)，則任務(wù)繼續(xù)向環(huán)狀緩沖區(qū)存儲(chǔ)欲發(fā)送的消息。如果存儲(chǔ)的消息是緩沖區(qū)第一個(gè)字節(jié)，則發(fā)送中斷允許，中斷程序準(zhǔn)備啟動(dòng)。CAN發(fā)送ISR從環(huán)行緩沖區(qū)中取出最舊的消息，同時(shí)發(fā)送信號(hào)量，通知發(fā)送任務(wù)，表明環(huán)狀緩沖區(qū)有空間接收另外的消息，接著ISR將消息從發(fā)送到總線上。其實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：

void CAN_PutMsg(CAN_msg *msg) {

INT8U oserr;

OS_CPU_SR cpu_sr;

CAN_RING_BUF *pbuf;

pbuf = &ringbuf;

OSSemPend(pbuf->RingBufTxSem, 0, &oserr);   //等待信號(hào)量

OS_ENTER_CRITICAL();//關(guān)中斷

pbuf->RingBufTxCtr++;   //發(fā)送計(jì)數(shù)器加1

CopyMsg(msg, pbuf->RingBufTxInPtr++);  //將消息放入環(huán)形緩沖區(qū)

if(pbuf->RingBufTxInPtr==&pbuf->RingBufTx[CAN_TX_BUF_SIZE]) {pbuf->RingBufTxInPtr=&pbuf->RingBufTx[0];

     }

if (pbuf->RingBufTxCtr==1) {

     CAN_TxIntEn();//為環(huán)形緩沖區(qū)的第一則消息，開(kāi)發(fā)送中斷

     }

     OS_EXIT_CRITICAL();

}

3.2 中斷服務(wù)程序

根據(jù)前面談到發(fā)送和接收消息的軟件結(jié)構(gòu)，在CAN初始化時(shí)就要求CAN的接收中斷處入開(kāi)啟狀態(tài)，而發(fā)送中斷僅僅是在發(fā)送緩沖區(qū)里面有了第一則消息后再開(kāi)啟的，因此在這里設(shè)計(jì)兩個(gè)接口函數(shù)，CAN.TxIntEn()和CAN.TxIntDis()，分別將發(fā)送屏蔽位置1（允許發(fā)送完成中斷）和置0（禁止發(fā)送完成中斷）。

圖4  發(fā)送接收中斷程序流程圖

中斷級(jí)程序的核心就是CANRX_ISR()和CANTX_ISR()，它們由初始化時(shí)對(duì)該模塊的中斷設(shè)置寄存器設(shè)置的中斷級(jí)別。如圖4所示，若為接收完成中斷，則清除中斷源，將接收到的消息放入接收緩沖區(qū)；將該消息存入接收緩沖區(qū)存入指針?biāo)赶虻牡刂?，將該指針向下移?dòng)，接收緩沖區(qū)計(jì)數(shù)器加1，并發(fā)出信號(hào)量通知應(yīng)用程序有新的消息已經(jīng)接收到，若有任務(wù)正在等待CAN上的新消息，則該任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)等待OS的調(diào)度。若為發(fā)送完成中斷，則將發(fā)送緩沖區(qū)的待發(fā)送消息讀出；將有待發(fā)送消息且優(yōu)先級(jí)最高的一個(gè)中讀取最舊的消息（緩沖區(qū)取出指針?biāo)赶虻南ⅲ?，發(fā)送緩沖區(qū)計(jì)數(shù)器減1，發(fā)出信號(hào)量通知應(yīng)用程序有一個(gè)消息被發(fā)出，并匯報(bào)當(dāng)前發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)；還應(yīng)判斷是否為最后一個(gè)待發(fā)送的消息，若不是，則清除中斷源并將消息發(fā)送到總線上，若是最后一個(gè)，則禁止發(fā)送完成中斷后發(fā)送該消息，將這個(gè)發(fā)送完成中斷保留到應(yīng)用程序下一次發(fā)送消息的時(shí)候允許并產(chǎn)生。

3.3 應(yīng)用

該驅(qū)動(dòng)程序的應(yīng)用，如下代碼所示，這里使用的是uCOS-II，首先定義一個(gè)CAN消息對(duì)象（msg）和一個(gè)環(huán)狀緩沖區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（CANRingBuf），在主程序中，初始化OS以后調(diào)用Ringbuf_Init()函數(shù)初始化環(huán)形緩存區(qū)，然后調(diào)用CAN_Init()函數(shù)初始化CAN端口。在啟動(dòng)OS后，用戶(hù)就可用在任何任務(wù)中調(diào)用CAN_PutMsg(CAN_msg *msg)和CAN_GetMsg(CAN_msg *msg)發(fā)送和接收總線消息了。

CAN_msg msg；

CAN_RING_BUF CANRingBuf;

void main(void) { 

OSInit();

Ringbuf_Init();

CAN_Init();

/* Creat task1 */

       OSStart();    }

void task1 (void * data)

{     CAN_PutMsg(&msg);

CAN_GettMsg(&msg);

}

4  結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)改變芯片總線頻率、CAN通信速率這樣多次反復(fù)不斷的調(diào)試，此CAN驅(qū)動(dòng)在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上運(yùn)行穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，較好的實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與ECU的通信，因此，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。