CAN總線(xiàn)在嵌入式Linux下驅動(dòng)程序的實(shí)現

1 引言

基于嵌入式系統設計的工業(yè)控制裝置，在工業(yè)控制現場(chǎng)受到各種干擾，如電磁、粉塵、天氣等對系統的正常運行造成很大的影響。在工業(yè)控制現場(chǎng)各個(gè)設備之間要經(jīng)常交換、傳輸數據，需要一種抗干擾性強、穩定、傳輸速率快的現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行通信。文章采用CAN總線(xiàn)，基于嵌入式系統32位的S3C44B0X微處理器，通過(guò)其SPI接口，MCP2510 CAN控制器擴展CAN總線(xiàn)；將嵌入式操作系統嵌入到S3C44B0X微處理器中，能實(shí)現多任務(wù)、友好圖形用戶(hù)界面；針對S3C44B0X微處理器沒(méi)有內存管理單元MMU，采用uClinux嵌入式操作系統。這樣在嵌入式系統中擴展CAN設備關(guān)鍵技術(shù)就是CAN設備在嵌入式操作系統下驅動(dòng)程序的實(shí)現。文章重點(diǎn)解決了CAN總線(xiàn)在嵌入式操作系統下驅動(dòng)程序實(shí)現的問(wèn)題。對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，CAN設備在嵌入式操作系統驅動(dòng)的實(shí)現為用戶(hù)屏蔽了硬件的細節，用戶(hù)不用關(guān)心硬件就可以編出自己的用戶(hù)程序。實(shí)驗結果表明驅動(dòng)程序的正確性，能提高整個(gè)系統的抗干擾能力，穩定性好，最大傳輸速率達到1Mb/s；硬件的錯誤檢定特性也增強了CAN的抗電磁干擾能力。

2 系統硬件設計

系統采用S3C44B0X微處理器,需要擴展CAN控制器。常用的CAN控制器有SJA1000和MCP2510,這兩種芯片都支持CAN2.0B標準。SJA1000采用的總線(xiàn)是地址線(xiàn)和數據線(xiàn)復用的方式，但是嵌入式處理器外部總線(xiàn)大多是地址線(xiàn)和數據線(xiàn)分開(kāi)的結構，這樣每次對SJA1000操作時(shí)需要先后寫(xiě)入地址和數據2次數據，而且SJA1000使用5V邏輯電平。所以應用MCP2510控制器進(jìn)行擴展，收發(fā)器采用82C250。MCP2510控制器特點(diǎn)：1.支持標準格式和擴展格式的CAN數據幀結構（CAN2.0B）；2.0～8字節的有效數據長(cháng)度，支持遠程幀；3.最大1Mb/s的可編程波特率；4.2個(gè)支持過(guò)濾器的接受緩沖區，3個(gè)發(fā)送緩沖區；5.SPI高速串行總線(xiàn)，最大5MHz；6.3～5.5V寬電壓范圍供電。MCP2510工作電壓為3.3V，能夠直接與S3C44B0X微處理器I/O口相連。為了進(jìn)一步提高系統抗干擾性，可在CAN控制器和收發(fā)器之間加一個(gè)光隔6N137。其結構原理框圖如圖1：

圖1.S3C44B0X擴展CAN結構框圖 圖2.字符設備注冊表

3 CAN設備驅動(dòng)程序的設計

Linux把設備看成特殊的文件進(jìn)行管理，添加一種設備，首先要注冊該設備，增加它的驅動(dòng)。設備驅動(dòng)程序是操作系統內核與設備硬件之間的接口，并為應用程序屏蔽了硬件細節。在linux中用戶(hù)進(jìn)程不能直接對物理設備進(jìn)行操作，必須通過(guò)系統調用向內核提出請求，由內核調用相應的設備驅動(dòng)。因此首先建立Linux設備管理、設備驅動(dòng)、設備注冊、Linux中斷這幾個(gè)概念。

3.1 Linux的設備管理

Linux支持各種各樣的外圍設備,對這些設備的管理通稱(chēng)為設備管理。設備管理分為兩部分：一部分是驅動(dòng)程序的上層，與設備無(wú)關(guān)的，這部分根據輸入輸出請求，通過(guò)特定的設備驅動(dòng)程序接口與設備進(jìn)行通信；另一部分是下層，與設備有關(guān)的，通常稱(chēng)為設備驅動(dòng)程序，它直接與硬件打交道，并且向上層提供一組訪(fǎng)問(wèn)接口。Linux設備管理為了對設備進(jìn)行讀、寫(xiě)等操作，把物理設備邏輯化，把它看成特殊的文件，稱(chēng)為設備文件，采用文件系統接口和系統調用來(lái)管理和控制設備。Linux把設備分為三類(lèi)，塊設備、字符設備和網(wǎng)絡(luò )設備。每類(lèi)設備都有不同管理控制方式和不同的驅動(dòng)程序，這樣方便于對系統進(jìn)行裁減。Linux內核對設備的識別是根據設備類(lèi)型和設備號。在字符設備中使用同一個(gè)驅動(dòng)程序的每種設備都有唯一的主設備號。CAN設備通過(guò)在/vendor/Samsung/44b0/Makefile文件下設置設備類(lèi)型和設備號分別為can、125。

3.2 file_operations結構體

Linux對設備操作的具體實(shí)現是由設備驅動(dòng)程序完成。設備驅動(dòng)程序加載到系統中通過(guò)設備注冊實(shí)現。Linux驅動(dòng)程序對文件的操作通過(guò)file_operations結構體來(lái)完成。file_operations結構體是文件操作函數指針的集合。在設備管理中該結構體各個(gè)成員項指向的操作函數就是設備驅動(dòng)程序的各個(gè)操作例程，編寫(xiě)驅動(dòng)程序實(shí)質(zhì)上就是編寫(xiě)該結構體中的各個(gè)函數。對不同的設備可以配備其中全部或部分的操作函數，不使用的函數指針置為NULL。下面是CAN設備file_operations結構體：

Static struct file_operations {

write: s3c44b0_mcp2510_write,//寫(xiě)操作

read: s3c44b0_mcp2510_read,//讀操作

ioctl: s3c44b0_mcp2510_ioctl,//讀寫(xiě)之外的操作

open: s3c44b0_mcp2510_open,//打開(kāi)設備

release: s3c44b0_mcp2510_release};//關(guān)閉設備

這個(gè)結構的每一個(gè)成員的名字都對應著(zhù)一個(gè)系統調用。用戶(hù)進(jìn)程利用系統調用，來(lái)調用自己的驅動(dòng)接口,系統調用通過(guò)設備文件的主設備號找到相應的設備驅動(dòng)程序,然后讀取這個(gè)數據結構相應的函數指針,接著(zhù)把控制權交給該函數。

3.3 設備注冊

在linux中，當一種設備安裝到系統時(shí)必須向系統進(jìn)行注冊，設備注冊的主要任務(wù)是把設備驅動(dòng)程序加載到系統中。Linux對不同的設備（如字符設備和塊設備）分開(kāi)進(jìn)行注冊管理。每個(gè)設備描述符包括兩個(gè)指針：name指向設備名字符串，fops指向文件操作函數結構file_operations，該結構體中包含著(zhù)指向驅動(dòng)程序各個(gè)操作例程的指針。圖2給出了linux字符設備注冊表的示意圖。CAN字符設備的注冊函數是內核函數:register_chrdev(MAJOR_NR,DEVICE_NAME,s3c44b0_mcp2510_fops);

其中參數DEVICE_NAME表示設備名，s3c44b0_mcp2510_fops表示指向file_operations結構體的指針，即指向設備的驅動(dòng)程序。

3.4 Linux中斷的處理

在linux系統里，對中斷的處理是屬于系統核心部分，因而如果設備與系統之間以中斷方式進(jìn)行數據交換，就必須把該設備的驅動(dòng)程序作為系統核心的一部分。設備驅動(dòng)程序通過(guò)用request_irq函數來(lái)申請中斷，通過(guò)free_irq來(lái)釋放中斷。由于本實(shí)驗未用到中斷，因此在此不作詳細介紹。

3.5 CAN驅動(dòng)程序的實(shí)現

3.5.1編寫(xiě)驅動(dòng)程序操作例程

CAN設備屬于字符設備，對于CAN總線(xiàn)設備，除了發(fā)送（使用write方法）、接受（使用read方法）以外，還需要控制CAN總線(xiàn)通信的波特率、設置工作模式、設置ID等，所以使用ioctl是最合適的方法。

CAN驅動(dòng)程序的入口函數：

int __init s3c44b0_mcp2510_init(void){ARMTargetInit();//初始化ARM

init_MCP2510(BandRat125kbps);//初始化CAN控制器 ret=register_chrdev(MAJOR_NR,DEVICE_NAME,s3c44b0_mcp2510_fops);}//注冊CAN設備

CAN驅動(dòng)程序的退出函數：void __exit s3c44b0_mcp2510_exit(void){

unregister_chrdev(MAJOR_NR,DEVICE_NAME);printk(MCP2510 Eixt！n);}