基于WinCE的CAN適配卡驅動(dòng)程序的設計與實(shí)現

1 引言

WinCE是一種為多種嵌入式系統和產(chǎn)品設計的緊湊、高效、可升級的操作系統，WinCE 采用標準模式，其最主要的特征：為有限的硬件資源提供了多線(xiàn)程、多任務(wù)和完全優(yōu)先級的計算環(huán)境。

WinCE操作系統支持兩種類(lèi)型的驅動(dòng)程序：本地驅動(dòng)程序(Build-In)，是把設備驅動(dòng)程序作為獨立任務(wù)實(shí)現，直接在頂層任務(wù)中實(shí)現硬件操作，完成特有專(zhuān)用的驅動(dòng)程序；流接口驅動(dòng)程序，WinCE的I/O系統將設備程序作為內核過(guò)程實(shí)現，這種方式便于實(shí)現I/O子系統的層次模型，便于文件系統一起把設備作為特殊文件處理，提供統一的管理、統一的界面和統一的使用方法，并把設備、文件及網(wǎng)絡(luò )通信組織成為一致的更高層次的抽象，為用戶(hù)提供統一的系統服務(wù)和用戶(hù)接口。驅動(dòng)程序封裝了將這些命令轉換為它所控制的設備上的適當操作所需的全部信息。流接口驅動(dòng)程序有在啟動(dòng)時(shí)加載和動(dòng)態(tài)加載兩種方式。本文實(shí)現的在WinCE環(huán)境下流結構的PC/104-CAN驅動(dòng)程序是在系統啟動(dòng)時(shí)加載的。

2 CAN總線(xiàn)技術(shù)簡(jiǎn)介

CAN總線(xiàn)是德國B(niǎo)osch公司開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議，CAN總線(xiàn)屬于總線(xiàn)式串行通訊網(wǎng)絡(luò )，具有總線(xiàn)為多主方式工作且無(wú)需站地址節點(diǎn)信息、CAN網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級、總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間低和總線(xiàn)的通信介質(zhì)選擇靈活等優(yōu)點(diǎn)。

CAN適配卡的核心工作單元是它的控制器，控制器SJA1000的組織結構如圖1所示。

圖1 SJA1000的內部結構方框圖

其中，接口管理邏輯（IML）：接收來(lái)自微控制器的命令，控制CAN寄存器的尋址，并向微控制器提供中斷和狀態(tài)信息；發(fā)送緩存器：存貯發(fā)送到CAN網(wǎng)絡(luò )上的完整信息；位流處理器（BSP）：是一個(gè)控制發(fā)送緩存器和接收緩存器與CAN總線(xiàn)之間控制數據流的程序裝置，同時(shí)具有執行錯誤檢測、仲裁、總線(xiàn)填充和錯誤處理的能力；位定時(shí)邏輯（BTL）單元：主要監視串口的CAN總線(xiàn)，并處理與總線(xiàn)有關(guān)的位時(shí)序，使SJA1000同步于CAN總線(xiàn)上的位流；錯誤管理邏輯（EML）：主要完成接收BSP的出錯報告，并按照CAN協(xié)議完成錯誤界定， 從而使BSP和IML進(jìn)行錯誤統計。

CAN適配卡的硬件網(wǎng)絡(luò )工作環(huán)境示意圖如圖2所示。

圖2 CAN適配卡應用系統的總體結構圖

圖2 中，通用微機的操作系統是WinCE，上位通用微機通過(guò)PC/104總線(xiàn)與CAN接口適配卡相連，CAN接口適配卡與具有CAN接口的串行芯片通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行數據交換，所采用的協(xié)議是CAN協(xié)議。在CAN協(xié)議中，報文的表示、傳送和控制主要由4種類(lèi)型的幀來(lái)完成：數據幀，攜帶數據信息，由發(fā)送器發(fā)送到接收器；遠程幀，主要用于請求發(fā)送具有相同標識符的數據幀，是通過(guò)總線(xiàn)發(fā)送的；出錯幀標識總線(xiàn)錯誤，由檢測出總線(xiàn)錯誤的任何總線(xiàn)單元產(chǎn)生；超載幀主要為當前的和后續的數據幀提供附加延遲。

3 CAN適配卡驅動(dòng)程序的設計與實(shí)現

從引言部分可知，流接口可以為各種設備提供統一的訪(fǎng)問(wèn)接口，可以是字符設備、塊設備、虛擬設備和網(wǎng)絡(luò )設備等。CAN適配卡驅動(dòng)程序的主要流程為：應用程序調用函數CreateFile獲取CAN設備句柄，文件系統將會(huì )調用CAN驅動(dòng)例程中的CAN_Open來(lái)響應應用程序的請求。當應用程序調用ReadFile函數讀取CAN設備上的字符時(shí)，文件系統將會(huì )調用CAN驅動(dòng)例程中的CAN_Read函數來(lái)讀取CAN設備上的字符。

對于本文流接口的驅動(dòng)程序而言，是通過(guò)實(shí)現如下幾個(gè)模塊來(lái)實(shí)現驅動(dòng)的：CAN_Open、CAN _Close、CAN _Read、CAN _Write、CAN _IoControl和CAN _Init等模塊。其中CAN _Init模塊是系統啟動(dòng)時(shí)由文件系統自動(dòng)調用的，主要完成設備的初始化工作。另外，對于流接口驅動(dòng)程序可選函數CAN _PowerUp和CAN _PowerDown，主要實(shí)現電源管理的功能。

限于篇幅，本文僅對主要的CAN_Write模塊、CAN_Read模塊和中斷服務(wù)線(xiàn)程模塊的實(shí)現作如下詳細詳細討論。

3.1 CAN_Write模塊的實(shí)現

當CAN適配卡控制器在發(fā)送報文時(shí)，發(fā)送緩沖區對寫(xiě)操作是鎖定的，這樣CPU必須檢查狀態(tài)寄存器的發(fā)送緩沖區狀態(tài)標志TBS，以確定可以將一個(gè)新報文寫(xiě)入發(fā)送緩沖區中，當發(fā)送緩沖區被鎖定（即標志TBS=0）時(shí)，CPU周期性地查詢(xún)狀態(tài)寄存器，等待發(fā)送緩沖區被釋放；當發(fā)送緩沖區被釋放（即標志TBS=1）時(shí)，CPU將新報文寫(xiě)入發(fā)送緩沖區中，并置命令寄存器的發(fā)送請求標志TR，該標志導致發(fā)送的啟動(dòng)。一旦發(fā)送成功中斷產(chǎn)生，表明CAN報文已經(jīng)發(fā)送成功。重復上面的工作就可以完成發(fā)送多個(gè)CAN報文的工作。CAN_Write模塊的流程圖如圖3所示。

圖3 CAN_Write函數的流程圖

3.2 CAN_Read模塊的實(shí)現

果CAN接收到一個(gè)報文，該報文通過(guò)驗收濾波器驗收并放入接收FIFO，則產(chǎn)生一個(gè)接收中斷。中斷服務(wù)程序接收到這個(gè)中斷后，將這個(gè)接收到的報文傳送到由驅動(dòng)程序維護的報文存儲區中，并置位命令寄存器的釋放緩存區標志RRB。CAN_Read函數并不等待來(lái)自CAN控制器的接收報文成功中斷，而是讀取保存在由驅動(dòng)程序維護的報文存儲區中的報文。CAN_Read函數的流程圖如圖4所示。

圖4 CAN_Read函數的流程圖

3.3中斷服務(wù)線(xiàn)程模塊的實(shí)現

在CAN適配卡的SJA1000控制器中，報文的發(fā)送與接受是采用中斷方式來(lái)完成的。以報文的中斷發(fā)送為例，在向CAN數據寄存器中寫(xiě)入報文并且向命令寄存器寫(xiě)入發(fā)送命令后，系統通過(guò)調用WaitForSingleObject函數將當前的發(fā)送線(xiàn)程掛起在某個(gè)事件的任務(wù)隊列中，觸發(fā)該事件將會(huì )使系統調度掛起在該事件的任務(wù)隊列中的任務(wù)繼續執行，而該事件只有在CAN控制器產(chǎn)生發(fā)送成功中斷后在中斷服務(wù)線(xiàn)程中觸發(fā)。中斷服務(wù)線(xiàn)程程序流程圖如圖5所示。

圖5 中斷服務(wù)線(xiàn)程程序流程圖

驅動(dòng)程序中的另外兩個(gè)模塊主要由CAN_Close 、CAN_IoControl函數來(lái)完成，前者主要負責在關(guān)閉CAN句柄時(shí)資源的回收任務(wù)，后者主要用于設置CAN的工作參數，如波特率，報文格式等，在此不作過(guò)多介紹。

4 結束語(yǔ)

本文的CAN適配卡驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境：上位機是普通的PC機，下位機的操作系統是WinCE，硬件是深圳藍天工控有限公司的嵌入式PC/104總線(xiàn)主板PCM3568。驅動(dòng)程序已經(jīng)過(guò)測試、驗收。CAN適配卡驅動(dòng)程序運行可靠、通信穩定。產(chǎn)品已經(jīng)被多個(gè)產(chǎn)家應用于實(shí)際的工業(yè)控制領(lǐng)域。