基于WinCE環境的CAN適配卡驅動程序的設計與實現

WinCE是一種為多種嵌入式系統和產品設計的緊湊、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程、多任務和完全優先級的計算環境。

WinCE操作系統支持兩種類型的驅動程序：[1]本地驅動程序(Build-In)，是把設備驅動程序作為獨立任務實現，直接在頂層任務中實現硬件操作，完成特有專用的驅動程序；流接口驅動程序，WinCE的I/O系統將設備程序作為內核過程實現，這種方式便于實現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、文件及網絡通信組織成為一致的更高層次的抽象，為用戶提供統一的系統服務和用戶接口。驅動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。流接口驅動程序有在啟動時加載和動態加載兩種方式。本文實現的在WinCE環境下流結構的PC/104-CAN驅動程序是在系統啟動時加載的。

2. CAN總線技術簡介

?????? CAN總線是德國Bosch公司開發的一種串行數據通信協議，CAN總線屬于總線式串行通訊網絡，具有總線為多主方式工作且無需站地址節點信息、CAN網絡上的節點信息分成不同的優先級、總線沖突仲裁時間低和總線的通信介質選擇靈活等優點[2]。

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）：[3]它接收來自微控制器的命令，控制CAN寄存器的尋址，并向微控制器提供中斷和狀態信息；發送緩存器：存貯發送到CAN網絡上的完整信息；位流處理器（BSP）：是一個控制發送緩存器和接收緩存器與CAN總線之間控制數據流的程序裝置，同時具有執行錯誤檢測、仲裁、總線填充和錯誤處理的能力；位定時邏輯（BTL）單元：主要監視串口的CAN總線，并處理與總線有關的位時序，使SJA1000同步于CAN總線上的位流；錯誤管理邏輯（EML）：主要完成接收BSP的出錯報告，并按照CAN協議完成錯誤界定， 從而使BSP和IML進行錯誤統計。

CAN適配卡的硬件網絡工作環境示意圖如圖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PC/104總線與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CAN總線進行數據交換，所采用的協議是CAN協議。在CAN協議中，報文的表示、傳送和控制主要由4種類型的幀來完成[4]：數據幀，攜帶數據信息，由發送器發送到接收器；遠程幀，主要用于請求發送具有相同標識符的數據幀，是通過總線發送的；出錯幀標識總線錯誤，由檢測出總線錯誤的任何總線單元產生；超載幀主要為當前的和后續的數據幀提供附加延遲。

3 CAN適配卡驅動程序的設計與實現

從引言部分可知，流接口可以為各種設備提供統一的訪問接口，可以是字符設備、塊設備、虛擬設備和網絡設備等。CAN適配卡驅動程序的主要流程為[5]：應用程序調用函數CreateFile獲取CAN設備句柄，文件系統將會調用CAN驅動例程中的CAN_Open來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，文件系統將會調用CAN驅動例程中的CAN_Read函數來讀取CAN設備上的字符。

對于本文流接口的驅動程序而言，是通過實現如下幾個模塊來實現驅動的：CAN_Open、CAN _Close、CAN _Read、CAN _Write、CAN _IoControl和CAN _Init等模塊。其中CAN _Init模塊是系統啟動時由文件系統自動調用的，主要完成設備的初始化工作。另外，對于流接口驅動程序可選函數CAN _PowerUp和CAN _PowerDown，主要實現電源管理的功能。

限于篇幅，本文僅對主要的CAN_Write模塊、CAN_Read模塊和中斷服務線程模塊的實現作如下詳細詳細討論。

3.1 CAN_Write模塊的實現

當CAN適配卡控制器在發送報文時，發送緩沖區對寫操作是鎖定的，這樣CPU必須檢查狀態寄存器的發送緩沖區狀態標志TBS，以確定可以將一個新報文寫入發送緩沖區中，當發送緩沖區被鎖定（即標志TBS=0）時，CPU周期性地查詢狀態寄存器，等待發送緩沖區被釋放；當發送緩沖區被釋放（即標志TBS=1）時，CPU將新報文寫入發送緩沖區中，并置命令寄存器的發送請求標志TR，該標志導致發送的啟動。一旦發送成功中斷產生，表明CAN報文已經發送成功。重復上面的工作就可以完成發送多個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模塊的實現

?????? 如果CAN接收到一個報文，該報文通過驗收濾波器驗收并放入接收FIFO，則產生一個接收中斷。中斷服務程序接收到這個中斷后，將這個接收到的報文傳送到由驅動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函數并不等待來自CAN控制器的接收報文成功中斷，而是讀取保存在由驅動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中斷服務線程模塊的實現

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

圖5 中斷服務線程程序流程圖

驅動程序中的另外兩個模塊主要由CAN_Close 、CAN_IoControl函數來完成，前者主要負責在關閉CAN句柄時資源的回收任務，后者主要用于設置CAN的工作參數，如波特率，報文格式等，在此不作過多介紹。

4 結束語

?????? 本文的CAN適配卡驅動程序的開發環境：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總線主板PCM3568。驅動程序已經過測試、驗收。CAN適配卡驅動程序運行可靠、通信穩定。產品已經被多個產家應用于實際的工業控制領域。