基于ARM的車載CAN總線智能終端設(shè)計(jì)
引言
CAN總線在自動(dòng)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，也越來(lái)越多地出現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)中，在車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，由于車身部位有很多數(shù)據(jù)采集和控制的電控單元通過(guò)CAN總線將采集的數(shù)據(jù)傳給主控節(jié)點(diǎn)，所以主控節(jié)點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)量大而且處理數(shù)據(jù)要求實(shí)時(shí)性高，同時(shí)還必須具備多任務(wù)的處理能力以及很好的人機(jī)交互界面，因此，采用傳統(tǒng)的單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)很難滿足要求，為此，本文主要描述利用ARM處理器S3C2440所具有的高性能和低耗能等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)嵌入式linux的多任務(wù)處理能力來(lái)設(shè)計(jì)車載CAN總線的智能節(jié)點(diǎn)。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用三星公司的ARM微處理器S3C2440來(lái)作為核心CPU；64MB的NANDFlash(K9F1208)為程序存儲(chǔ)器；64MB的SDRAM(K4S281632)為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存;觸摸屏用來(lái)進(jìn)行GUI圖形界面顯示以及與用戶的交互；而JTAG接口、串口和以太網(wǎng)接口可以方便的進(jìn)行開發(fā)調(diào)試;選用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng);最后采用Qt編寫上層的圖形用戶界面。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2 CAN總線模塊的硬件接口設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用的三星S3C2440是一款基于ARM9TDMI內(nèi)核的RISC處理器，該CPU的主頻最高可達(dá)500MHz,處理速度快,可滿足CAN節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)性的需求，但由于其片內(nèi)不帶CAN控制器，所以硬件上需要外擴(kuò)CAN控制器,CAN控制器和收發(fā)器采用的是Microchip公司的MCP2510和MCP2551,其中MCP251O完全支持CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.OB等版本協(xié)議,能夠發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展報(bào)文，它還同時(shí)具備驗(yàn)收濾波以及報(bào)文管理功能，它與微控制器的通訊是采用SPI口實(shí)現(xiàn)的，其SPI口數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)5Mb/s；而高速CAN收發(fā)器MCP2551則可把CAN控制器生成的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成為適合總線傳輸?shù)牟罘中盘?hào),它也為CAN控制器和CAN總線之間加入了緩沖器,可以有效抑制高壓尖峰信號(hào)，而且具有很強(qiáng)的抗噪特性。在本設(shè)計(jì)中，S3C2440被設(shè)置為SPI的主設(shè)備.MCP251O作為從設(shè)備,GPG6引腳控制對(duì)從設(shè)備的片選操作。為了盡量少占用外部中斷口，設(shè)計(jì)時(shí)可將MCP2510的通用中斷引腳與S3C2440的外部中斷1相連。
同時(shí)為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，MCP2510的TXCAN和RXCAN并不是與MCP2551的TXD和RXD相連，而是通過(guò)高速光耦6N137后與MCP2551相連，這樣就能很好地實(shí)現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。應(yīng)該注意的是，光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源Vcc和VcCA必須完全隔離，否則采用光耦就沒(méi)有意義了，為了增大負(fù)載、減少回波反射，可以在CAN總線接口處接上120Q的終端電阻,CAN總線模塊的硬件接口電路如圖2所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)移植和文件系統(tǒng)的構(gòu)建
由于本設(shè)計(jì)采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，所以需要移植U-boot和Linux內(nèi)核，同時(shí)應(yīng)移植帶有Qt庫(kù)的文件系統(tǒng)，以及網(wǎng)卡和觸摸屏的驅(qū)動(dòng)程序移植，其中最主要的就是開發(fā)CAN控制器的驅(qū)動(dòng)程序，最后再將鏡像文件燒寫到NANDFlash中，系統(tǒng)上電后，由U-boot引導(dǎo)系統(tǒng)啟動(dòng)。
3.2 CAN控制器MCP2510的驅(qū)動(dòng)程序
驅(qū)動(dòng)程序是上層應(yīng)用程序和CAN控制器硬件之間的一個(gè)中間軟件層，它屏蔽了CAN控制器的工作細(xì)節(jié)，并提供給用戶程序一系列的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用接口函數(shù),這些接口函數(shù)可通過(guò)SPI接口通信來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN控制器的操作。用戶程序可通過(guò)調(diào)用Linux系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)來(lái)間接訪問(wèn)底層硬件，它們之間的相互關(guān)系如圖3所示。
(1) SPI接口讀寫程序
MCP2510芯片內(nèi)部的所有寄存器都映射在一個(gè)地址表上,MCU通過(guò)SPI口發(fā)送相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)來(lái)完成對(duì)MCP2510的初始化、工作狀態(tài)的控制以及數(shù)據(jù)的讀寫。在實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序之前，需要完成對(duì)MCP2510進(jìn)行讀寫或控制的底層函數(shù)，而這些函數(shù)主要是根據(jù)SPI口的通信時(shí)序完成MCP2510的讀寫操作或狀態(tài)控制。MCP2510的SPI口的寫時(shí)序如圖4所示，故可以按照此時(shí)序?qū)崿F(xiàn)對(duì)MCP2510進(jìn)行寫操作的的底層函數(shù)。
SPI接口的讀寫程序如下:
write2510(u8 cmd,u8 addr,u8 data)
{CS_L； //拉低GPG6引腳啟動(dòng)對(duì)MCP2510的操作
iowrite8(cmd,SPTDATO)； //寫指令到SPI口
wait； //等待發(fā)送操作完成
iowrite8(addr,SPTDATO)； //寫地址到SPI口
wait； //等待發(fā)送操作完成
iowrite8(data,SPTDATO)； //寫數(shù)據(jù)到SPI口
wait； //等待發(fā)送操作完成
CS_H； //拉高GPG6引腳結(jié)束對(duì)MCP2510的操作
}
(2) 驅(qū)動(dòng)程序接口函數(shù)的實(shí)現(xiàn)
在Linux系統(tǒng)下,每一個(gè)硬件設(shè)備都對(duì)應(yīng)著一個(gè)設(shè)備文件，內(nèi)核一般是通過(guò)主設(shè)備號(hào)將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備文件相連，驅(qū)動(dòng)程序的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)就是file.operations，它包含指向驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)部函數(shù)的指針，它的每一個(gè)成員對(duì)應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。所以，在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中，就是通過(guò)調(diào)用SPI接口的讀寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)file_operations結(jié)構(gòu)中的一些接口函數(shù)(如open、read、write、ioctl、release等)，為了方便用戶程序與驅(qū)動(dòng)的交互，可以根據(jù)CAN控制器的工作特點(diǎn)定義MCP2510的設(shè)備結(jié)構(gòu)體，其定義代碼如下：
structMCP2510｛
wait_queue_head_t read_wq； //讀進(jìn)程的等待隊(duì)列
unsigned char en_read； //讀進(jìn)程等待的條件
struct CANR_MSG rec_buf； //接收?qǐng)?bào)文緩沖器
struct CAN_MSG tra_buf； //發(fā)送報(bào)文緩沖器
struct SET_FILTER set_filter； //MCP2510寄存器配置
structcdevcdev; //字符設(shè)備結(jié)構(gòu)體
在上述定義代碼中，CANR_MSG結(jié)構(gòu)體作為接收?qǐng)?bào)文的緩沖區(qū),CANR_MSG結(jié)構(gòu)體作為發(fā)送報(bào)文的緩沖區(qū)，en_read是讀進(jìn)程進(jìn)入等待隊(duì)列的等待條件，這樣就可以把等待隊(duì)列和事件聯(lián)系起來(lái)，使進(jìn)程可以轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)等待某個(gè)特定事件,而當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，這些進(jìn)程又能夠被再次喚醒。這里，事件就是CAN控制器的中斷，在中斷里可以喚醒等待的進(jìn)程。
Open函數(shù)用于打開設(shè)備，設(shè)置MCP2510的波特率、驗(yàn)收過(guò)濾器、CAN收發(fā)數(shù)據(jù)方式和CAN消息傳送模式。read和write函數(shù)可以和用戶空間交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)CAN消息的發(fā)送和讀取，ioctl函數(shù)利用其命令參數(shù)可以使用戶程序重新設(shè)置MCP2510的寄存器以改變節(jié)點(diǎn)的工作模式和波特率等。
(3) 中斷函數(shù)的實(shí)現(xiàn)
Linux內(nèi)核會(huì)對(duì)所有的中斷統(tǒng)一編號(hào)，使用一個(gè)irq_desc結(jié)構(gòu)數(shù)組來(lái)描述這些中斷；每個(gè)數(shù)組項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷號(hào)，其中記錄了中斷處理函數(shù)入口、底層的硬件訪問(wèn)接口和中斷狀態(tài)等，嵌入式linux內(nèi)核會(huì)維護(hù)一個(gè)中斷信號(hào)線注冊(cè)表，所以，在使用中斷前，必須先申請(qǐng)中斷號(hào)，使用完之后要釋放該中斷號(hào)，這里就是使用函數(shù)request_irq(IRQ_EINT1,can_inter_rupt,IRQT_FALLING,DEVICE_NAME,dev_id)；來(lái)注冊(cè)一個(gè)中斷處理程序，其中IRQ_EINT1是所要申請(qǐng)的中斷號(hào)，can_interrupt是中斷處理函數(shù)的指針,IRQT_FALLING是中斷觸發(fā)的方式。這里選擇的是下降沿觸發(fā)，其中DEVICE_NAME是產(chǎn)生中斷的設(shè)備名稱,dev_id主要用于共享中斷線，中斷處理程序需要査詢中斷標(biāo)志寄存器來(lái)獲取中斷信息。其中斷函數(shù)代碼片段如下：
上述代碼中，icode保存的是從MCP2510的CAN-STA寄存器中讀取的中斷信息，將icode值左移3位即可得到接收緩沖器0在CAN控制器中的寄存器映射地址,然后將接收到的報(bào)文ID和數(shù)據(jù)拷貝到設(shè)備結(jié)構(gòu)體中的CANR_MSG類型緩沖器,然后再喚醒讀進(jìn)程,用戶應(yīng)用程序就可以得到底層硬件接收到的報(bào)文數(shù)據(jù)。其他的中斷都可以按這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3.3 CAN總線智能節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層的軟件設(shè)計(jì)
為了使該節(jié)點(diǎn)具有多任務(wù)的處理能力，所以，本設(shè)計(jì)的程序采用多線程設(shè)計(jì)，Qt主線程負(fù)責(zé)顯示窗口，并響應(yīng)相應(yīng)的用戶觸摸操作，比如用戶可以點(diǎn)擊界面中的設(shè)置按鈕設(shè)置波特率等。創(chuàng)建一個(gè)輪詢線程就可以不斷地發(fā)送CAN遠(yuǎn)程幀以依次請(qǐng)求各個(gè)從節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后調(diào)用read函數(shù)讀取接收到的CAN報(bào)文，沒(méi)有接收到消息，該線程就會(huì)阻塞，而如果讀取到CAN報(bào)文，就會(huì)刷新數(shù)據(jù)的顯示。其程序流程如圖5所示。
4 結(jié)語(yǔ)
本文使用ARM和嵌入式Linux作為開發(fā)平臺(tái)，并利用其高性能和多任務(wù)的處理能力來(lái)開發(fā)車載CAN總線智能節(jié)點(diǎn)，以便實(shí)時(shí)接收并處理各車載電控單元的信息，進(jìn)而使用Qt開發(fā)基于觸摸屏的圖形用戶界面。該智能節(jié)點(diǎn)具有處理速度快，用戶交互界面友好,可維護(hù)性強(qiáng),軟件上易于升級(jí)等特點(diǎn)。
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