μC／OS-II的CAN驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

摘要：實(shí)時(shí)性是衡量CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)性能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。本文提出一種采用μC／OS-II操作系統(tǒng)和I-CAN協(xié)議，在應(yīng)用層面上提高CAN總線系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方案，并以分層的方式逐層闡述CAN驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)過程。
關(guān)鍵詞：CAN總線；μC／OS-II；實(shí)時(shí)性；驅(qū)動(dòng)程序

引言
    CAN總線是德國Bosch公司于1983年針對汽車應(yīng)用而開發(fā)的，一種能有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，屬于現(xiàn)場總線的范疇。其通信距離與波特率有關(guān)，最大通信距離可達(dá)10 km，最大通信波特率可達(dá)1 Mbps。CAN總線仲裁采用1l位(CAN2．OA協(xié)議)和29位(CAN 2．OB協(xié)議)標(biāo)志，以及非破壞性仲裁總線結(jié)構(gòu)機(jī)制，可以確定數(shù)據(jù)塊的優(yōu)先級(jí)，保證在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)沖突時(shí)最高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)不需要沖突等待。CAN總線上的任何節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻，主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，從而實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的自由通信。目前，CAN總線協(xié)議已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，已廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)、高速網(wǎng)絡(luò)和低價(jià)位多路連線等領(lǐng)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(shí)質(zhì)上是基于優(yōu)先級(jí)的可剝奪型內(nèi)核，系統(tǒng)中的所有任務(wù)都有一個(gè)唯一的優(yōu)先級(jí)別，適合應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)的場合。本文采用μC／OS-II來設(shè)計(jì)CAN的驅(qū)動(dòng)程序，以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求。

1 CAN節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
    CAN節(jié)點(diǎn)是分布在CAN網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)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(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在CAN網(wǎng)絡(luò)中，ECU(Electronic Control Unit)是指一個(gè)具有完整功能的CAN節(jié)點(diǎn)。

    采用NXP公司的LPC2368作為CAN節(jié)點(diǎn)的主控制器。LPC2368是一款基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的RISC處理器，包含2個(gè)兼容CAN2．0B規(guī)范的CAN控制器。每個(gè)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(shí)現(xiàn)的搜索算法，可以支持大量的CAN標(biāo)識(shí)符。
    LPC2368是一款3．3 V器件，雖然其對應(yīng)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(diǎn)能夠更穩(wěn)定地運(yùn)行，這里采用TI公司的3．3 V CAN收發(fā)器SN65HVD230D與之配合使用。憑借高輸入阻抗特性，SN65HVD230D可以在一條總線上支持多達(dá)120個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，并且能夠和5V的CAN收發(fā)器良好地兼容。本文重點(diǎn)介紹CAN驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)方法。

2 CAN驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)總體思想
    為了使軟件可移植性強(qiáng)、易于維護(hù)，采用分層的方法編寫CAN驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序分層結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，雙向箭頭表示實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II與CAN驅(qū)動(dòng)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。

3 CAN設(shè)備控制層和CAN接口控制層
    CAN設(shè)備控制層的主要任務(wù)是：初始化主控制器與CAN控制器之間的連接配置，復(fù)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(jìn)行訪問，所以不再需要編寫設(shè)備控制驅(qū)動(dòng)層程序，已經(jīng)完全由硬件實(shí)現(xiàn)了。
    CAN接口控制層主要任務(wù)是：實(shí)現(xiàn)CAN控制器的各種功能，如設(shè)置控制模式、發(fā)送數(shù)據(jù)、釋放接收緩沖區(qū)、配置驗(yàn)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(guān)寄存器來實(shí)現(xiàn)的。
    CAN控制器初始化程序(在應(yīng)用層中實(shí)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(qiáng)，可以通過宏定義的形式進(jìn)行編寫。例如：
    #define CAN_MOD_RM()CANlMOD |=1
    CANlMOD是CAN控制器的模式寄存器，最低位置1可使CAN控制器進(jìn)入復(fù)位模式。這種模式下，可以對控制器的所有寄存器進(jìn)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(shù)手冊。

4 CAN協(xié)議層
    從OSI網(wǎng)絡(luò)模型的角度來看，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)一般實(shí)現(xiàn)了第1層(物理層)、第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)、第7層(應(yīng)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(shí)現(xiàn)。CAN總線沒有規(guī)定應(yīng)用層，本身并不完整，因此需要一個(gè)高層協(xié)議來定義CAN報(bào)文中11／29位標(biāo)識(shí)符、8字節(jié)的使用。目前，已經(jīng)有一些國際上標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線高層協(xié)議，例如DeviceNet協(xié)議和CANopen協(xié)議；但是這個(gè)協(xié)議規(guī)范比較復(fù)雜，理解和開發(fā)難度都比較大，對于一些并不復(fù)雜的基于CAN總線的控制網(wǎng)絡(luò)不太適合。本設(shè)計(jì)采用國內(nèi)周立功CAN開發(fā)組織根據(jù)實(shí)際應(yīng)用制定的簡單的CAN應(yīng)用層協(xié)議I-CAN協(xié)議，作為軟件設(shè)計(jì)的CAN協(xié)議層。ICAN協(xié)議中的29位幀標(biāo)識(shí)符定義如表1所列。

    CAN總線仲裁是從標(biāo)識(shí)符的最高位(28位)開始逐位進(jìn)行的。每一個(gè)發(fā)送器都對發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的總線電平進(jìn)行比較：如果相同，則這個(gè)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O)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(diǎn)編號(hào)部分可以看出，節(jié)點(diǎn)的地址編號(hào)越小，優(yōu)先級(jí)也就越高，在仲裁時(shí)能夠優(yōu)先獲得總線使用權(quán)。在CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)越重要，分配的地址編號(hào)的優(yōu)先級(jí)相應(yīng)地也越高。譬如，車載網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元就應(yīng)該比定向大燈電控單元的優(yōu)先級(jí)高，這樣才能保證重要的報(bào)文及時(shí)傳送出去。在節(jié)點(diǎn)接收到報(bào)文之后，應(yīng)用程序依據(jù)I-CAN協(xié)議解析報(bào)文標(biāo)識(shí)符，并實(shí)現(xiàn)其指定的功能。

5 CAN應(yīng)用層
    CAN應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)CAN控制器的所有功能。CAN設(shè)備控制驅(qū)動(dòng)層、CAN接口驅(qū)動(dòng)層和CAN協(xié)議層都在應(yīng)用層的控制之中。應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)包括：
    ①初始化CAN控制器，以及與應(yīng)用層相關(guān)的全局變量。
    ②編寫CAN控制器的中斷服務(wù)程序。
    ③報(bào)文處理任務(wù)。該任務(wù)基于I-CAN協(xié)議來解析報(bào)文，并實(shí)現(xiàn)報(bào)文指示的功能。
    ④報(bào)文發(fā)送任務(wù)。該任務(wù)存儲(chǔ)未能發(fā)送的報(bào)文，并在發(fā)送緩沖區(qū)可用的情況下自動(dòng)發(fā)送報(bào)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(yīng)用環(huán)境正確地配置CAN控制器，才能使系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行。
5．1 中斷服務(wù)程序
    中斷服務(wù)程序用來判斷CAN控制器的中斷類型，并作出相應(yīng)的響應(yīng)。具體程序如下：

    這里只對接收中斷、發(fā)送中斷以及總線錯(cuò)誤中斷進(jìn)行闡述，其他類型的CAN中斷處理應(yīng)根據(jù)具體系統(tǒng)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。
5．1．1 接收中斷
    接收中斷處理函數(shù)CANl_RI_HANDLE()負(fù)責(zé)接收報(bào)文，并將報(bào)文發(fā)送到任務(wù)的消息隊(duì)列中。其代碼如下：

    其中，RI_DATA為定義的結(jié)構(gòu)體CAN_MSG變量；CANlRFS、CANlRID、CANlRDA和CANlRDB分別為CAN控制器存儲(chǔ)接收報(bào)文幀信息、標(biāo)識(shí)符、數(shù)據(jù)字節(jié)的寄存器。CAN_MSG結(jié)構(gòu)體如下所示：

5．1．2 發(fā)送中斷
    當(dāng)發(fā)送中斷處理函數(shù)通過TX_CNT判斷出報(bào)文發(fā)送函數(shù)的消息隊(duì)列中有待發(fā)送報(bào)文時(shí)，通過函數(shù)OSSemPost(CAN_TX_OVER)向其發(fā)送信號(hào)量，通知其可以發(fā)送報(bào)文了。若TX_CNT為0，說明消息隊(duì)列中沒有待發(fā)送的報(bào)文，則不發(fā)送信號(hào)量。
5．1．3 總線錯(cuò)誤中斷
    CANl BEI HANDLE()通過查詢中斷和捕獲寄存器來判斷是何種錯(cuò)誤類型，并將它記錄下來以便于系統(tǒng)診斷。
    由于CANl_RI_HANDLE()和OSSemPost()都可能就緒等待中的任務(wù)，所以為了保證系統(tǒng)能夠嚴(yán)格按照優(yōu)先級(jí)來執(zhí)行任務(wù)。程序采用OSIntEx-it()函數(shù)進(jìn)行中斷級(jí)任務(wù)切換，在執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后運(yùn)行一個(gè)具有最高級(jí)別的任務(wù)，而不是返回被中斷的任務(wù)。
5．2 應(yīng)用層面臨的問題及解決方法
    下面將結(jié)合應(yīng)用層面臨的實(shí)際問題，對報(bào)文處理和報(bào)文發(fā)送函數(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述。
    ①CAN節(jié)點(diǎn)將CAN中斷設(shè)為FIQ中斷，而其他中斷設(shè)為不同優(yōu)先級(jí)的IRQ中斷。由于FIQ中斷能夠打斷IRQ中斷，所以節(jié)點(diǎn)在任何情況下都能盡快地響應(yīng)CAN中斷，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
    編寫的CAN中斷服務(wù)程序應(yīng)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(wù)任務(wù)放到中斷服務(wù)程序外執(zhí)行，以便盡早退出FIQ中斷模式，從而使節(jié)點(diǎn)能夠響應(yīng)新的中斷，減少系統(tǒng)中的中斷延時(shí)。其中，接收中斷處理是最占用節(jié)點(diǎn)資源的，它不僅需要根據(jù)I-CAN協(xié)議對報(bào)文進(jìn)行解析，還需要執(zhí)行報(bào)文指定的功能，所以必須放到中斷服務(wù)程序外執(zhí)行。解決的辦法是，通過μC／OS-II中的OSTaskCreate()函數(shù)建立一個(gè)報(bào)文處理任務(wù)，這個(gè)任務(wù)由一個(gè)請求消息隊(duì)列函數(shù)OSQPend()和一個(gè)報(bào)文解析處理函數(shù)組成。報(bào)文處理函數(shù)如下：

    如果需要發(fā)送CAN報(bào)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(duì)列作為中介，從而提高程序運(yùn)行效率；若都被鎖定，則調(diào)用OSQPost()將報(bào)文發(fā)送到報(bào)文發(fā)送函數(shù)的消息隊(duì)列MESSAGE_TX中，并執(zhí)行TX_CNT++操作。
    ②在繁忙的CAN網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可能會(huì)由于仲裁丟失而無法及時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸，因此必須要對待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，等待節(jié)點(diǎn)獲得總線使用權(quán)時(shí)再發(fā)送出去。LPC2368的CAN控制器有一個(gè)三態(tài)發(fā)送緩沖區(qū)，最多能夠存儲(chǔ)3個(gè)報(bào)文。若3個(gè)緩沖區(qū)都處于鎖定狀態(tài)(報(bào)文正在等待發(fā)送或正
處于發(fā)送過程)，而又有一個(gè)報(bào)文需要發(fā)送，則需要額外的緩沖區(qū)先將它存儲(chǔ)起來，以待節(jié)點(diǎn)獲得總線使用權(quán)時(shí)再發(fā)送。
    定義一個(gè)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(gè)數(shù)組中，然后再調(diào)用OSQCreate()函數(shù)來創(chuàng)建一個(gè)用于存儲(chǔ)發(fā)送報(bào)文的消息隊(duì)列MESSAGE TX，最后通過OSTaskCreate()函數(shù)建立一個(gè)負(fù)責(zé)發(fā)送報(bào)文的任務(wù)。該任務(wù)由一個(gè)請求消息隊(duì)列函數(shù)OSQPend()和一個(gè)請求信號(hào)量函數(shù)OSSemPend()組成。報(bào)文發(fā)送函數(shù)如下：

    其中，變量TX_CNT記錄MESSAGE_TX中的報(bào)文數(shù)目。任務(wù)向MESSAGE_TX發(fā)送一個(gè)報(bào)文，TX_CNT就加1；報(bào)文發(fā)送函數(shù)成功發(fā)送一個(gè)報(bào)文，TX _CNT就減1。這樣，中斷服務(wù)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(hào)量的必要，減少了不必要的冗余操作。
    除非在CAN節(jié)點(diǎn)任務(wù)中有比將處理好的CAN報(bào)文發(fā)送出去更重要的任務(wù)要做，一般來講，報(bào)文發(fā)送任務(wù)在節(jié)點(diǎn)任務(wù)中應(yīng)該具有最高的優(yōu)先級(jí)，以保證CAN系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
    ③LPC2368的最高運(yùn)行速率可達(dá)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(gè)報(bào)文，CPU也完全有能力在接收完第、2個(gè)報(bào)文前將第1個(gè)報(bào)文處理完畢，所以只需要建立一個(gè)報(bào)文處理任務(wù)。
    還有些要完成較復(fù)雜任務(wù)的節(jié)點(diǎn)，譬如車載網(wǎng)絡(luò)中的中央控制部件(BSI)。在全CAN車載網(wǎng)絡(luò)中，它同時(shí)連接內(nèi)部網(wǎng)、車身網(wǎng)和舒適網(wǎng)3個(gè)網(wǎng)絡(luò)。作為汽車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中樞，BSI任務(wù)繁重，對CAN報(bào)文的處理經(jīng)常會(huì)被各種中斷和內(nèi)部任務(wù)打斷，所以不能保證及時(shí)處理上一次接收
的CAN報(bào)文。另外，由于消息隊(duì)列是采取先進(jìn)先出(FIF0)或者后進(jìn)先出(LIFO)的方式來組織報(bào)文的，當(dāng)消息隊(duì)列中積攢多個(gè)還沒處理的報(bào)文時(shí)，無法先取出優(yōu)先級(jí)最高的報(bào)文進(jìn)行處理。為了能夠優(yōu)先處理重要設(shè)備發(fā)送過來的報(bào)文，必須針對系統(tǒng)中每個(gè)與本節(jié)點(diǎn)有進(jìn)行CAN通信關(guān)系的節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)獨(dú)立的報(bào)文處理任務(wù)。這個(gè)任務(wù)包含一個(gè)獨(dú)立的消息隊(duì)列，并且發(fā)送報(bào)文的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)越高，該任務(wù)設(shè)置的優(yōu)先級(jí)也應(yīng)該越高。為此CANl_R1_HANDLE()函數(shù)也應(yīng)該做出相應(yīng)的修改。修改之后的程序代碼如下所示：

    再結(jié)合CAN鏈路層的仲裁機(jī)制，就可以保證優(yōu)先級(jí)別高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先發(fā)送報(bào)文，并被接收節(jié)點(diǎn)優(yōu)先處理。至此，CAN驅(qū)動(dòng)程序的整個(gè)脈絡(luò)已經(jīng)非常清晰，其總體流程略——編者注。

結(jié)語
    本文基于μC／OS-II操作系統(tǒng)、針對實(shí)時(shí)性要求較高的CAN系統(tǒng)編寫的CAN驅(qū)動(dòng)程序簡潔、高效，在不同的應(yīng)用環(huán)境下只需添加相應(yīng)的用戶代碼，就可以組成完整的CAN驅(qū)動(dòng)程序。但在提高高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)性的同時(shí)，在一定程度上也降低了低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性，所以在工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要兼顧高低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性能。