基于MCP2515的多路CAN總線接口及驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

 結(jié)合實(shí)際需求，提出一種多路CAN總線接口的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)硬件主體采用AT91RM9200和MCP2515，操作系統(tǒng)采用ARMLinux。詳細(xì)介紹硬件的接口設(shè)計(jì)，針對(duì)該硬件接口設(shè)計(jì)分析ARMLinux下的驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題進(jìn)行了深入分析。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該設(shè)計(jì)方案可以滿足應(yīng)用的要求。

       引言

　　在鐵路系統(tǒng)中，為了保證列車(chē)的安全運(yùn)行，需要對(duì)鐵軌及周?chē)鸂顩r進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。目前采用的方法是在鐵路沿線安裝多個(gè)檢測(cè)設(shè)備，用于檢測(cè)洪水、大風(fēng)、泥石流等自然災(zāi)害及軌溫等參數(shù)。這些設(shè)備一般采用的通信方式是RS232、RS485或CAN，并通過(guò)專線連接至監(jiān)控中心的各個(gè)監(jiān)控設(shè)備。這種方式極大浪費(fèi)了線路資源，也不易于設(shè)備的統(tǒng)一管理。因此，需要一種安裝在鐵路沿線的設(shè)備，它將附近的檢測(cè)設(shè)備發(fā)送的信息統(tǒng)一收集并通過(guò)一條專線直接送往監(jiān)控中心。為了與多個(gè)檢測(cè)設(shè)備通信，必須同時(shí)具有多個(gè)RS232、RS485和CAN接口。基于這種應(yīng)用需要，本文提出了擴(kuò)展多個(gè)CAN總線接口的方法。

　　1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　1.1  芯片介紹系統(tǒng)

　　采用Atmel公司的AT91RM9200（以下簡(jiǎn)稱“9200”）作為MCU。該處理器基于ARM920T內(nèi)核，主頻為180 MHz時(shí)，性能可達(dá)到200MIPS；最高主頻為209 MHz。該處理器還具有豐富的外設(shè)資源，非常適合工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用[1]；采用的操作系統(tǒng)是ARMLinux，內(nèi)核版本為2.4.19。

　　目前主流的CAN協(xié)議控制器一般采用I/O總線（SJA1000等）或SPI接口（MCP2515等）與MCU進(jìn)行通信。由于本設(shè)計(jì)采用PC /104總線擴(kuò)展卡的方式來(lái)擴(kuò)展多個(gè)RS232和RS485接口，沒(méi)有多余的I/O片選線可用，因此最終選用9200的SPI接口與MCP2515進(jìn)行多路CAN總線接口的擴(kuò)展。

　　MCP2515是Microchip公司推出的具有SPI接口的獨(dú)立CAN控制器。它完全支持CAN V2.0B技術(shù)規(guī)范，通信速率最高可達(dá)1 Mbps，內(nèi)含3個(gè)發(fā)送緩沖器、2個(gè)接收緩沖器、6個(gè)29位驗(yàn)收濾波寄存器和2個(gè)29位驗(yàn)收屏蔽寄存器[2]；它的SPI接口時(shí)鐘頻率最高可達(dá)10 MHz，可滿足一個(gè)SPI主機(jī)接口擴(kuò)展多路CAN總線接口的需要。

　　1.2  系統(tǒng)硬件接口

　　圖1是9200與MCP2515的接口原理框圖，通過(guò)9200的SPI接口，連接了5個(gè)MCP2515。由于9200的SPI從設(shè)備片選線數(shù)量有限，故采用片選譯碼方式，NPCS0可作為普通的外部中斷線使用（NPCS0與IRQ5復(fù)用引腳）。由于9200的外部中斷線資源有限，故采用中斷線共享的方式，即分別有兩個(gè)MCP2515共享同一中斷線，最后一個(gè)MCP2515獨(dú)占一條中斷線，以滿足不同通信速率下數(shù)據(jù)處理的需要。

圖1  AT91RM9200與MCP2515接口原理框圖

圖2  MCP2515 CAN總線接口電路

　　圖2是MCP2515的外圍CAN總線接口框圖，圖中省略了MCP2515和9200的接口部分。由于設(shè)備需要安裝在鐵路沿線，必須具有防雷擊的能力。因此MCP2515與CAN總線收發(fā)器（TJA1050）之間采用高速光耦進(jìn)行完全的電氣隔離，并且光耦兩端電路的電源也必須用電源隔離模塊隔離開(kāi)，這樣才能真正起到隔離的作用。在TJA1050的CANH和CANL引腳與地之間連接2個(gè)30 pF的電容，可以過(guò)濾CAN總線上的高頻干擾；2個(gè)二極管可以在總線電壓發(fā)生瞬變干擾時(shí)起保護(hù)作用。光耦正常工作時(shí)輸入電流為10 mA左右，內(nèi)部發(fā)光二極管的正向電壓降為1.7 V左右，因此要特別注意輸入端串聯(lián)電阻的阻值選擇。

　　2  SPI主機(jī)的工作方式

　　9200通過(guò)SPI接口與5個(gè)MCP2515進(jìn)行通信，9200的SPI控制器工作在主機(jī)模式，MCP2515工作在從機(jī)模式。MCP2515 支持多個(gè)指令（如復(fù)位指令、讀指令、寫(xiě)指令等），以便于9200通過(guò)SPI接口對(duì)MCP2515的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。9200 SPI控制器作為主機(jī)時(shí)工作模式流程如圖3所示[1]。

圖3  AT91RM9200 SPI控制器主機(jī)模式流程

　　需要注意的是，SPI使能后，只有在SPI_TDR（發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器）中有數(shù)據(jù)時(shí)，才會(huì)根據(jù)片選配置（固定外設(shè)或可變外設(shè)）使能相應(yīng)片選；而 SPI_TDR中無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)，則片選自動(dòng)禁用。因此，9200向MCP2515連續(xù)發(fā)送多個(gè)字節(jié)時(shí)，要保證在前一個(gè)字節(jié)傳輸完畢前，后一個(gè)字節(jié)就被寫(xiě)入到 SPI_TDR中，以避免片選被自動(dòng)禁用；同時(shí)，在傳輸完每一個(gè)字節(jié)后，還要讀取SPI_RDR（接收數(shù)據(jù)寄存器）。

　　下面以MCP2515的讀指令為例，說(shuō)明圖4所示的驅(qū)動(dòng)程序完成一次讀指令操作（只讀一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)）的過(guò)程，并假設(shè)9200 SPI采用固定外設(shè)的片選配置方式。其他指令的軟件實(shí)現(xiàn)流程與讀指令類似。

圖4  SPI讀指令操作軟件流程

　　3  驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　驅(qū)動(dòng)程序是應(yīng)用程序與硬件之間的中間軟件層，它完全隱蔽了設(shè)備工作的細(xì)節(jié)。Linux操作系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備中信息傳送方式的不同，將設(shè)備分成3種類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[3]。9200與MCP2515的通信都是通過(guò)SPI接口以字節(jié)為單位進(jìn)行的，因此MCP2515屬于字符設(shè)備。由于5 個(gè)MCP2515共享9200的一個(gè)SPI接口，因此采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)管理所有的MCP2515，這樣做有利于對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。

　　3.1  驅(qū)動(dòng)程序中定義的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　CAN總線通信是基于報(bào)文幀的，在驅(qū)動(dòng)程序中，無(wú)論發(fā)送數(shù)據(jù)還是接收數(shù)據(jù)都是基于報(bào)文幀的操作[4]，因此需要設(shè)計(jì)合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以滿足數(shù)據(jù)操作的需要。

　　3.1.1接收與發(fā)送CAN報(bào)文幀結(jié)構(gòu)體

　　typedef struct {
　　　　unsigned char node_num;
　　　　unsigned intid;
　　　　unsigned char dlc;
　　　　unsigned char data[8];
　　　　int ext_flag;
　　　　int rtr_flag;
　　} CanFrame;[!--empirenews.page--]

　　其中，node_num為MCP2515的節(jié)點(diǎn)號(hào)（0～4），id為CAN報(bào)文幀的標(biāo)識(shí)符，dlc為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（0～8），data為CAN報(bào)文幀的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，ext_flag用于標(biāo)識(shí)CAN報(bào)文幀是否為擴(kuò)展幀，rtr_flag用于標(biāo)識(shí)CAN報(bào)文幀是否為遠(yuǎn)程幀。

　　3.1.2  設(shè)備配置結(jié)構(gòu)體

　?。?）  波特率和報(bào)文濾波配置結(jié)構(gòu)體

　　typedef struct{
　　　　unsigned charnode_num;
　　　　CanBaudRatebaudrate;
　　　　CanFilter filter;
　　　　int br_flag;
　　　　int fi_flag;
　　} CanDevConfig;

　　其中，node_num為MCP2515的節(jié)點(diǎn)號(hào)（0～4），baudrate為CAN總線通信速率，filter為報(bào)文濾波配置結(jié)構(gòu)，br_flag用于標(biāo)識(shí)波特率配置是否有效，fi_flag用于標(biāo)識(shí)報(bào)文濾波配置是否有效。 baudrate和filter的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型定義如下：

　　typedef enum {
　　　　_125kbps,
　　　　_250kbps,
　　　　_500kbps,
　　　　_1Mbps
　　} CanBaudRate;
　　typedef struct{
　　　　unsigned int mask_0;
　　　　unsigned int mask_1;
　　　　unsigned int filter_0;
　　　　unsigned int filter_1;
　　　　unsigned int filter_2;
　　　　unsigned int filter_3;
　　　　unsigned int filter_4;
　　　　unsigned int filter_5;
　　}CanFilter;

　?。?）  工作模式配置結(jié)構(gòu)體

　　typedef struct{
　　　　unsigned char node_num;
　　　　unsigned char oper_mode;
　　} CanDevMode;

　　其中，node_num意義同上，oper_mode表示該節(jié)點(diǎn)的工作模式。MCP2515共有5種工作模式，分別是配置模式、休眠模式、僅監(jiān)聽(tīng)模式、回環(huán)模式和正常模式。一般設(shè)備都工作在正常模式。

　　3.1.3  環(huán)形數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)體

　　typedef struct {
　　　　CanFrame can_recv_buf[RECV_BUF_SIZE];
　　　　int recv_pos;
　　　　int read_pos;
　　　　wait_queue_head_twq;
　　} CanDev;

　　其中，can_recv_buf為接收CAN報(bào)文幀環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，recv_pos和read_pos分別表示數(shù)據(jù)存入和讀出緩沖區(qū)的位置；wq定義的是一個(gè)等待隊(duì)列，用于實(shí)現(xiàn)阻塞型read操作。

　　3.2  驅(qū)動(dòng)程序接口

　　驅(qū)動(dòng)程序的接口主要分為3個(gè)部分： 初始化與退出函數(shù)接口，完成設(shè)備安裝和卸載等操作；文件系統(tǒng)接口，由file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)完成；與設(shè)備的接口，完成對(duì)設(shè)備的讀/寫(xiě)等操作。

　　3.2.1  初始化與退出函數(shù)

　　在安裝驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)調(diào)用初始化函數(shù)進(jìn)行設(shè)備注冊(cè)、設(shè)備初始化以及安裝中斷處理例程等操作。參考文獻(xiàn)[3]詳細(xì)論述了設(shè)備注冊(cè)的方法，而這里主要討論設(shè)備初始化時(shí)的配置方法。在本驅(qū)動(dòng)程序中，設(shè)備初始化分兩步:一是對(duì)9200的SPI控制器初始化，二是對(duì)5個(gè)MCP2515初始化。

　　在卸載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)會(huì)調(diào)用退出函數(shù)，退出函數(shù)主要完成設(shè)備的注銷(xiāo)和中斷釋放。

　　參考文獻(xiàn)[3]詳細(xì)論述了中斷處理例程的安裝、設(shè)備注銷(xiāo)和中斷釋放的方法，此處不再詳述。

　　3.2.2  中斷接收服務(wù)例程

　　MCP2515收到CAN報(bào)文幀后，產(chǎn)生中斷并將INT引腳置低。9200響應(yīng)外部中斷，并調(diào)用和外部中斷相對(duì)應(yīng)的中斷處理例程。中斷處理例程共有3個(gè)： at91_mcp2515_irq_handler_0響應(yīng)IRQ0的中斷，at91_mcp2515_irq_handler_1_2響應(yīng)IRQ1的中斷，at91_mcp2515_irq_handler_3_4響應(yīng)IRQ2的中斷。其中IRQ0只和一個(gè)MCP2515相連，而IRQ1和IRQ2分別被兩個(gè)MCP2515所共享。IRQ0和IRQ1的中斷處理流程分別如圖5和圖6所示，IRQ2與IRQ1的中斷處理流程相同。

圖5  IRQ0中斷處理流程

圖6  IRQ1中斷處理流程

　　需要注意的是，在圖5的處理流程中并沒(méi)有清中斷操作。這是因?yàn)椴捎昧薘X讀緩沖區(qū)指令讀取MCP2515 RX緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。該指令操作結(jié)束后，MCP2515會(huì)自動(dòng)清除相應(yīng)的接收中斷標(biāo)志位。

　　3.2.3  文件系統(tǒng)接口定義

　　文件系統(tǒng)接口struct file_operations的成員全部是函數(shù)指針，這些指針指出了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所提供的入口點(diǎn)位置。本驅(qū)動(dòng)程序所定義的file_operations為：

　　static struct file_operations at91_mcp2515_fops = {
　　　　owner: THIS_MODULE,
　　　　write: at91_mcp2515_write,
　　　　read:at91_mcp2515_read,
　　　　ioctl: at91_mcp2515_ioctl,
　　　　open: at91_mcp2515_open,
　　　　release:at91_mcp2515_release,
　　};

　　3.2.4  ioctl函數(shù)

　　ioctl函數(shù)用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置。我們?cè)趇octl函數(shù)中實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)命令： IOCTRL_CONFIG_CAN_DEV用于配置節(jié)點(diǎn)的CAN總線波特率和報(bào)文濾波，IOCTRL_SET_OPER_MODE用于配置節(jié)點(diǎn)的工作模式。這兩種配置命令所對(duì)應(yīng)的配置參數(shù)都是指向應(yīng)用層相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針，兩個(gè)配置結(jié)構(gòu)在3.1.2小節(jié)已經(jīng)介紹過(guò)了。

　　用IOCTRL_CONFIG_CAN_DEV命令配置波特率和報(bào)文濾波時(shí)，在配置完成后，如果節(jié)點(diǎn)處于INACTIVE狀態(tài)，則需要使能節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的接收中斷，使能節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的外部中斷，并將節(jié)點(diǎn)狀態(tài)設(shè)置為ACTIVE。在通常情況下，通過(guò)ioctl函數(shù)對(duì)需要配置的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行完 IOCTRL_CONFIG_CAN_DEV命令后，還要再對(duì)配置過(guò)的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行IOCTRL_SET_OPER_MODE命令，使節(jié)點(diǎn)處于正常的工作模式。

　　3.2.5  關(guān)于競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題

　　本系統(tǒng)是單CPU系統(tǒng)，采用Linux 2.4.19內(nèi)核，且是非搶占式的；同時(shí)，此設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序也只允許一個(gè)進(jìn)程打開(kāi)并操作該設(shè)備。在這種情況下，驅(qū)動(dòng)程序中所涉及的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題主要就是中斷處理程序內(nèi)核代碼和其他設(shè)備操作的內(nèi)核代碼之間的資源競(jìng)爭(zhēng)。在上文中所提到的所有設(shè)備操作中，都要通過(guò)9200的SPI接口與MCP2515進(jìn)行通信。 9200與MCP2515進(jìn)行通信都是以命令字節(jié)開(kāi)始的，并且在一個(gè)命令操作過(guò)程中（一般會(huì)連續(xù)傳輸多個(gè)字節(jié)），片選和時(shí)鐘是不能被禁用的，否則操作就會(huì)失敗。因此，MCP2515的一個(gè)完整的命令操作就是一個(gè)臨界區(qū)域，在對(duì)MCP2515進(jìn)行一個(gè)命令操作的過(guò)程中必須禁用所有的中斷，以保證命令操作的正常執(zhí)行。在驅(qū)動(dòng)程序中，采用local_irq_save和local_irq_restore函數(shù)對(duì)中斷禁用和恢復(fù)，在這兩個(gè)函數(shù)調(diào)用之間，就是對(duì) MCP2515執(zhí)行一個(gè)命令操作的代碼。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文針對(duì)特有的應(yīng)用需求提出的多路CAN總線接口和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以穩(wěn)定正常地運(yùn)行。關(guān)于驅(qū)動(dòng)程序的編譯和運(yùn)行方法，參考文獻(xiàn) [3]有很好的說(shuō)明。上層的測(cè)試程序編寫(xiě)也比較簡(jiǎn)單，但要注意數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和底層驅(qū)動(dòng)程序的一致性。本文側(cè)重介紹設(shè)計(jì)的基本方法和實(shí)現(xiàn)基本的功能。 MCP2515本身提供了許多的功能，在實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，也可以根據(jù)自己的應(yīng)用需要再進(jìn)行功能擴(kuò)展。