基于LPC2119和μC/OSII 的CAN中繼器設(shè)計(jì)

基于提高CAN總線組網(wǎng)能力的考慮，提出一種新穎的CAN中繼器設(shè)計(jì)方法;闡述以LPC2119控制器為核心的硬件設(shè)計(jì)方案;詳細(xì)分析在μC/OSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下的軟件實(shí)現(xiàn)過程;針對(duì)中繼器的實(shí)時(shí)性和安全性以及總線與總線之間可能存在的速度不匹配的問題，確立提升緊急任務(wù)優(yōu)先級(jí)、建立相關(guān)事件標(biāo)志、合理地對(duì)事件與任務(wù)進(jìn)行同步的改進(jìn)方法，從而有效地解決組網(wǎng)中最遠(yuǎn)傳輸距離和最大節(jié)電數(shù)限制的問題。

引 言

CAN總線的直接通信距離只有10 km左右，而且由于收發(fā)器驅(qū)動(dòng)能力的限制，總線上最多只能掛110個(gè)節(jié)點(diǎn)，給系統(tǒng)組網(wǎng)帶來一定的困難。CAN中繼器就是為了解決這個(gè)問題而設(shè)計(jì)的。由于中繼器具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，不僅可以擴(kuò)大通信距離，還可以增加節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)目。對(duì)CAN中繼器初始化參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以在不同的網(wǎng)段內(nèi)采用不同的通信速率，還可以對(duì)報(bào)文進(jìn)行過濾，減輕總線負(fù)擔(dān)。

1 CAN中繼器的硬件設(shè)計(jì)

1.1 微控制器LPC2119簡介

CAN中繼器是以ARM微控制器LPC2119為核心的軟硬件系統(tǒng)。LPC2119是Philips公司生產(chǎn)的一款基于支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMISMCU，帶有128 KB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30 %，而性能的損失卻很小。LPC2119內(nèi)部集成2個(gè)CAN控制器。它的主要特性有：單個(gè)總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1 Mb/s;32位寄存器和RAM訪問;兼容CAN 2.0B, ISO 118981規(guī)范;全局驗(yàn)收濾波器可以識(shí)別所有的11位和29位Rx標(biāo)識(shí)符;驗(yàn)收濾波器為選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符提供Full CANstyle自動(dòng)接收。

1.2 LPC2119內(nèi)部CAN控制器與SJA1000比較

LPC2119內(nèi)部集成的CAN控制器與Philips公司的SJA1000 CAN控制器相比較大致相同，只是在驗(yàn)收濾波這一環(huán)略有不同，這為習(xí)慣SJA1000的開發(fā)人員采用LPC2119提供了方便。SJA1000驗(yàn)收濾波器由驗(yàn)收代碼寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器定義，要接收報(bào)文的位模式在驗(yàn)收代碼寄存器中定義，相應(yīng)的驗(yàn)收屏蔽寄存器允許定義某些位為“無關(guān)”，通過模式寄存器可以選擇不同的過濾模式：單過濾模式和雙過濾模式。

而對(duì)LPC2119內(nèi)部集成的CAN控制器，全局驗(yàn)收過濾器包含一個(gè)512×32(2 KB)的RAM，通過軟件處理，可在RAM中存放1～5個(gè)標(biāo)識(shí)符表格，整個(gè)RAM可容納1024個(gè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符或512的擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符或兩種類型混合的標(biāo)識(shí)符。同時(shí)有5個(gè)地址寄存器指向驗(yàn)收過濾器RAM的表格：Full CAN標(biāo)準(zhǔn)地址，標(biāo)準(zhǔn)單個(gè)地址，標(biāo)準(zhǔn)地址范圍，擴(kuò)展單個(gè)地址或擴(kuò)展地址范圍。當(dāng)CAN控制器的接收端已接收到一個(gè)完整的標(biāo)識(shí)符時(shí)，它將通知驗(yàn)收過濾器，驗(yàn)收過濾器響應(yīng)這個(gè)信號(hào)，并讀出控制器編號(hào)、標(biāo)識(shí)符尺寸，以及來自控制器本身的標(biāo)識(shí)符，然后通過驗(yàn)收過濾器搜索RAM中的表格，以決定接收或放棄這一幀信息。

1 .3 CAN中繼器硬件結(jié)構(gòu)

中繼器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。LPC2119分別通過CAN總線收發(fā)器與兩路總線相連;總線驅(qū)動(dòng)器采用帶隔離的DC/DC模塊單獨(dú)供電，不僅實(shí)現(xiàn)了兩路CAN接口之間的電器隔離，也實(shí)現(xiàn)了中繼器與CAN總線的電器隔離。除此之外，還有LED顯示和鍵盤接口。LED用于顯示中繼器的工作狀態(tài)，鍵盤用來修正總線的波特率。最終程序的調(diào)試與跟蹤通過JTAG調(diào)試口完成。

圖1硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 引入μC/OSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

隨著應(yīng)用的復(fù)雜化，采用傳統(tǒng)前后臺(tái)設(shè)計(jì)方法，會(huì)顯得過于復(fù)雜，實(shí)時(shí)性得不到保證，而且容易發(fā)生死鎖。解決這些問題的最好方法就是采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

μC/OSII完全是占先式的實(shí)時(shí)內(nèi)核, 是基于優(yōu)先級(jí)的, 即總是讓就緒態(tài)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行, 因此實(shí)時(shí)性比非占先式的內(nèi)核要好。 它包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步(信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列) 和內(nèi)存管理等功能; 它的絕大部分代碼是用C 語言編寫的, 可移植性強(qiáng)， 可以在絕大多數(shù)8 位、16 位、32 位以至64 位微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 上運(yùn)行。

CAN中繼器對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求比較高。采用μC/OSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以有效地對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度;對(duì)各任務(wù)賦予不同的優(yōu)先級(jí)可以保證任務(wù)及時(shí)響應(yīng)，而且采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，降低了程序的復(fù)雜度，方便程序的開發(fā)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)中需考慮的問題

(1) 使用代碼的容量

在前/后臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,對(duì)存儲(chǔ)器容量的需求僅僅取決于應(yīng)用程序代碼,而使用RTOS的情況則很不一樣。RTOS 內(nèi)核本身需要額外的代碼空間。

總代碼量=應(yīng)用程序代碼+內(nèi)核代碼

每個(gè)任務(wù)都是獨(dú)立運(yùn)行的,必須給每個(gè)任務(wù)提供單獨(dú)的?？臻g(RAM)。在決定分配給每個(gè)任務(wù)多少棧空間時(shí),應(yīng)該盡可能使之接近實(shí)際的需求量。棧空間的大小不僅要計(jì)算任務(wù)本身的需求(局部變量、函數(shù)調(diào)用等) ,還需要計(jì)算最多中斷嵌套層數(shù)(保存寄存器、中斷服務(wù)程序中的局部變量等)。內(nèi)核的另一個(gè)應(yīng)該具有的特性是,每個(gè)任務(wù)所需的?？臻g大小可以分別定義。所有內(nèi)核都需要額外的棧空間，以保證內(nèi)部變量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、隊(duì)列等。如果內(nèi)核支持中斷用棧分離,則總的RAM需求量的表達(dá)式為：RAM總需求=應(yīng)用程序RAM 需求+內(nèi)核數(shù)據(jù)區(qū)RAM需求+各任務(wù)棧需求的總和+最多中斷嵌套棧需求。

除非有特別大的RAM空間可以使用,對(duì)棧的分配與使用均要特別小心。實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)比前后臺(tái)系統(tǒng)需要更多的代碼(ROM) 和數(shù)據(jù)空間(RAM) 。額外的代碼空間取決于內(nèi)核的大小,而RAM的用量則取決于系統(tǒng)中的任務(wù)數(shù)。

(2) 實(shí)時(shí)性和安全性

CAN中繼器是系統(tǒng)組網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，在稍大型的CAN總線系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)用到中繼器。它給系統(tǒng)組網(wǎng)帶來方便的同時(shí)，也給系統(tǒng)增加了一些存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，因此在軟件設(shè)計(jì)中必須考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，盡量縮短數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間。這除了要求給系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)分配較高的優(yōu)先級(jí)之外，還應(yīng)建立一種通信機(jī)制，保證在收到一路總線上的數(shù)據(jù)時(shí)，能即時(shí)向另一路總線發(fā)送。另外，中繼器是兩路總線之間通信的橋梁，為了保證兩路總線之間正常的通信，應(yīng)盡量避免類似死鎖、總線故障之類的情況發(fā)生。所以系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)一個(gè)監(jiān)控任務(wù)，能對(duì)這類情況作出即時(shí)反應(yīng)，同時(shí)為了不丟失還未轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，必須為每一路總線設(shè)置一環(huán)形緩沖區(qū)，用于存放新接收到的數(shù)據(jù)，維護(hù)系統(tǒng)的安全性。[!--empirenews.page--]

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

嵌入式CAN中繼器主要實(shí)現(xiàn)兩路CAN總線數(shù)據(jù)之間相互轉(zhuǎn)發(fā)，并且可以根據(jù)實(shí)際需要，改變某一路CAN控制器的波特率。采用μC/OSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，整個(gè)設(shè)計(jì)由操作系統(tǒng)和一系列用戶應(yīng)用程序構(gòu)成。

主函數(shù)是程序首先執(zhí)行的一個(gè)函數(shù)。該函數(shù)永遠(yuǎn)不會(huì)返回，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件和操作系統(tǒng)的初始化。硬件包括中斷、鍵盤、顯示等初始化;操作系統(tǒng)包括任務(wù)控制快和事件控制快的初始化，而且在啟動(dòng)多任務(wù)調(diào)度之前，必須至少創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)。在此系統(tǒng)中創(chuàng)建了一個(gè)啟動(dòng)任務(wù)，主要負(fù)責(zé)時(shí)鐘的初始化和啟動(dòng)，中斷的啟動(dòng)，CAN控制器的初始化及啟動(dòng)及任務(wù)的劃分等。在交出CPU的使用權(quán)之后，只做一些空閑處理。

(1) 任務(wù)的劃分

要完成實(shí)時(shí)多任務(wù)的各種功能，必須對(duì)任務(wù)進(jìn)行劃分。本程序根據(jù)各個(gè)任務(wù)的重要性和實(shí)時(shí)性，把程序分成六個(gè)具有不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，包括系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、鍵盤輸入、LED顯示、接收隊(duì)列監(jiān)視和波特率設(shè)置。表1為任務(wù)劃分表。

除了6個(gè)主要應(yīng)用任務(wù)之外，還有兩個(gè)中斷服務(wù)子程序：一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍中斷，用于提供周期性信號(hào)源;一個(gè)CAN接收中斷，用于把接收數(shù)據(jù)寫入環(huán)形緩沖區(qū)。

(2) 任務(wù)的同步與調(diào)度

通常多任務(wù)操作系統(tǒng)的任務(wù)不同于一般的函數(shù)，它是一個(gè)無限循環(huán)，而且沒有返回值。如果沒有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，當(dāng)前任務(wù)是不會(huì)放棄對(duì)CPU的使用權(quán)的。為了實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行和有關(guān)事件的同步，必須正確處理任務(wù)間的通信和事件標(biāo)志的設(shè)置。整個(gè)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

各個(gè)任務(wù)具有不同的優(yōu)先級(jí)，通過調(diào)用系統(tǒng)掛起函數(shù)或延時(shí)函數(shù)，可以啟動(dòng)具有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)。在嵌入式CAN中繼器的設(shè)計(jì)中，通過對(duì)延時(shí)參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)每隔一定的時(shí)鐘節(jié)拍，就啟動(dòng)接收隊(duì)列監(jiān)視任務(wù)，定期掃描環(huán)形緩沖區(qū)。一旦發(fā)現(xiàn)讀指針與寫指針不相等時(shí)，就將環(huán)形緩沖區(qū)中新接收到的數(shù)據(jù)存入TEMPBUF中，同時(shí)發(fā)送信號(hào)量SendSem。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)接收到信號(hào)量，啟動(dòng)運(yùn)行，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)如下：void CANDATA_ExchangeTask(void *pdata)

{

#if OS_CRITICAL_METHOD == 3/* 給CPU狀態(tài)寄存器分配存儲(chǔ)器*/

OS_CPU_SRcpu_sr;

#endif

INT8U err;

pdata=pdata;/*避免編譯器警告*/

for(;;) {

OSSemPend (SendSem,0,&err);/*等待發(fā)送信號(hào)量，若無信號(hào)則將本函數(shù)掛起，并啟動(dòng)其他任務(wù)，如系統(tǒng)監(jiān)控或鍵盤輸入或LED顯示等*/

if (CANNUM == CAN1) {/*判斷是哪一路總線接收到數(shù)據(jù)，如是CAN1，則向CAN2發(fā)送數(shù)據(jù)*/

ToSendData (TEMPBUF,FORTXBUF );/*將存放在TEMPBUF中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可用于發(fā)送的數(shù)據(jù)格式，存放在FORTXBUF中*/

CanSendData (CAN2,0x00,FORTXBUF);/*向另一路總線發(fā)送數(shù)據(jù)*/

}

else {

ToSendData (TEMPBUF,FORTXBUF );

CanSendData (CAN1,0x00,TXBUF);

}

}

}同樣，其他模塊功能——波特率的設(shè)置、系統(tǒng)的監(jiān)控、信息的顯示等，也是通過任務(wù)間的通信—信號(hào)量的傳遞來實(shí)現(xiàn)的，以此來保證時(shí)間與任務(wù)的同步。

結(jié)語

μC/OSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在嵌入式硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，用μC/OSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用程序有其獨(dú)到之處，用戶可以直接利用系統(tǒng)的接口函數(shù)編寫自己的應(yīng)用程序，不需另行開發(fā)，大大方便了用戶編程，縮短了軟件的開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率?；?mu;C/OSII和LPC2119的CAN中繼器，在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程中，運(yùn)行狀況良好，工作穩(wěn)定。