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工業(yè)現(xiàn)場總線是工廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)，是計(jì)算機(jī)數(shù)字通信技術(shù)在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用，為車間底層設(shè)備信息及生產(chǎn)過程信息集成提供了通信技術(shù)平臺。傳統(tǒng)的工業(yè)串行總線標(biāo)準(zhǔn)有RS232和RS485，CAN則是目前廣泛應(yīng)用的典型的現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)是一種可應(yīng)用于工業(yè)以及辦公環(huán)境的通用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。這些不同的串行通信標(biāo)準(zhǔn)，由于各種不同原因分別得到不同應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)這些不同標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信，必須有一個(gè)實(shí)現(xiàn)這些不同標(biāo)準(zhǔn)之間協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，TC700就是為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的而設(shè)計(jì)的。 RS232、RS485串行總線標(biāo)準(zhǔn)主要是完成物理層之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換工作，而CAN和以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換既包括物理層的轉(zhuǎn)換也包括數(shù)據(jù)鏈路層的轉(zhuǎn)換，是二層的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。因此，TC700能夠?qū)崿F(xiàn)串口與網(wǎng)口、CAN口與網(wǎng)口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，我們將其看作是一種復(fù)合型的工業(yè)總線網(wǎng)關(guān)設(shè)備。 1 TC700 的功能原理與硬件結(jié)構(gòu) 1.1 TC700 網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功能原理 TC700網(wǎng)關(guān)采用嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括了RS232、RS485、CAN和以太網(wǎng)幾種類型的接口。TC700能夠支持簡單的路由功能，在把RS232、RS485、CAN接入IP網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，可從IP網(wǎng)絡(luò)中對每個(gè)串口設(shè)備進(jìn)行訪問。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，TC700中的RS232、RS485與CAN接口均被分配一個(gè)IP地址，從串口接收到的負(fù)載數(shù)據(jù)能夠各自組成相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)幀，通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送出去，在局域網(wǎng)甚至在廣域網(wǎng)進(jìn)行傳輸；反之，本地主機(jī)或遠(yuǎn)程主機(jī)也可以通過Internet遠(yuǎn)程訪問各個(gè)串行接口。TC700的原理框圖如圖1所示： 1.2 TC700 協(xié)議轉(zhuǎn)換器硬件總體結(jié)構(gòu) TC700協(xié)議轉(zhuǎn)換器使用了飛思卡爾公 司（原摩托羅拉公司）生產(chǎn)的微處理器 MPC850作為它的CPU，它是TC700總體結(jié) 構(gòu)的中心，對各個(gè)模塊進(jìn)行控制。這些模塊 分為兩部分，一部分是核心支持模塊，主要 包含電源模塊，存儲器模塊(SDRAM與Flash Memory)，時(shí)鐘和復(fù)位模塊和通用I/O模塊。 另一部分為通信模塊，包括串口模塊，以太 網(wǎng)模塊、CAN接口模塊等。MPC850集成了 一個(gè)高性能的嵌入式PowerPC核和一個(gè)包 含特殊設(shè)計(jì)的32位RISC處理器的通信處理 器（CPM）。它的 CPM 支持6個(gè)串行通道： 一個(gè)串行通信控制器（SCC）、一個(gè)通用串 行總線通道（USB）、兩個(gè)串行管理控制器 （SMC）、一個(gè)I?C（Inter-Integrated Circuit） 接口和一個(gè)串行外圍接口電路（SPI）。本 文中，筆者著重介紹了TC700協(xié)議轉(zhuǎn)換器的 CAN接口驅(qū)動開發(fā)過程中的硬件設(shè)計(jì)和軟 件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。 2 CAN 接口硬件電路設(shè)計(jì) CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議， 在CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可以完成對通信 數(shù)據(jù)成幀處理。CAN總線接口的設(shè)計(jì)有硬 件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩種方式。軟件設(shè)計(jì)方式 需要開發(fā)人員編寫相應(yīng)的程序來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 的成幀、解幀和完成數(shù)據(jù)幀的收發(fā)功能。這 就增加了開發(fā)人員的負(fù)擔(dān)，延長開發(fā)周期。 最重要的是軟件程序會增大系統(tǒng)運(yùn)行開銷， 使CPU利用率降低等，因此本文采用硬件開 發(fā)方式完成對CAN接口的設(shè)計(jì)。在CAN控制器的選擇上，由于TC700的CPU與CAN控制 器之間的通信是通過SPI接口來實(shí)現(xiàn)的，因 此除了選有帶有SPI接口的CPU芯片之外， CAN控制器也須選擇帶有SPI接口的芯片。 美國微芯科技有限公司生產(chǎn)的MCP2510是 一款帶有SPI 接口的CAN 控制器，它通過 SPI 接口與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。MCP2510支 持CAN 技術(shù)規(guī)范V2.0A和 V2.0B，并能夠 發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的信息幀, 同時(shí)具 有接收濾波和信息管理的功能，還具有靈活 的中斷管理能力。這些特點(diǎn)使得CPU 對 CAN 總線的操作變得非常簡便。另外， 筆者還選擇了PHILIP生產(chǎn)的PCA82C250芯 片作為TC700網(wǎng)關(guān)設(shè)備的CAN的收發(fā)器。 PCA82C250具有放大MCP2510與CAN總線 之間傳輸信號的功能，可以使CAN總線有充 分的負(fù)載能力與總線上其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù) 交換。 (a) MCP2510接口電路圖 (b) PCA82C250 接口電路 圖 2 CAN 總線的接口電路 圖2是CAN總線的接口電路原理圖， MCP2510通過SPI接口的四個(gè)管腳SPIMISO、 SPIMOSI 、SPICLK 、SPI_SEL 分別與CPU 的 PB[28]、PB[29]、PB[30]、PD[7]管腳相連， 即實(shí)現(xiàn)了MCP2510與CPU雙方SPI接口的互 連。SPI接口間的通信協(xié)議也是可以采用軟 件算法的方式來實(shí)現(xiàn)的；CAN控制器MCP2510 與CAN 收發(fā)器PCA82C250 通過CAN_TX 和 CAN_RX管腳進(jìn)行相連，這里的PCA82C250作 為MCP2510與物理總線的接口。為了提高系 統(tǒng)的抗干擾能力，在MCP2510和PCA82C250之 間加了雙通道數(shù)字隔離器ADuM1201 ， ADuM1201有諸多優(yōu)于光電隔離器件性能的 地方，可以很好的滿足CAN總線上電氣隔離 的要求。 3 基于VxWorks 的CAN 接口驅(qū)動程序設(shè)計(jì) 3.1 基于VxWorks 的嵌入系統(tǒng)的工作原理 本網(wǎng)關(guān)所采用的嵌入式操作系統(tǒng) VxWorks是美國“風(fēng)河”（Wind River）公司 開發(fā)研制的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （RTOS）。在眾多的嵌入式操作系統(tǒng)中， VxWorks以良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性， 在軍事、航空航海、通信、醫(yī)療等高科技技 術(shù)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，在嵌入式 領(lǐng)域中占有極其重要的地位。VxWorks具有 小巧的內(nèi)核、可被裁剪、廣泛的硬件支持和 第三方軟件開發(fā)商支持等優(yōu)點(diǎn)，極大地提高 了程序員的開發(fā)效率。 加電后，TC700首先啟動VxWorks操作 系統(tǒng)，包括了兩個(gè)映像的啟動過程。一是 BootRom 映像； 另一是VxWorks 映像。 BootRom映像是一個(gè)最小化、專用的系統(tǒng)映 像，又稱為啟動映像，它保存在固定位置（如 FlashROM或ROM），主要負(fù)責(zé)加載和運(yùn)行 最終使用的VxWorks映像。即在VxWorks操作系統(tǒng)正式啟動之前，首先需要定制和建立 BootRom，然后通過它下載配置可加載的 VxWorks映像到RAM中運(yùn)行。VxWorks映像 加載完畢后，系統(tǒng)就啟動內(nèi)核創(chuàng)建根任務(wù) usrRoot，通過調(diào)用iosInit（）函數(shù)初始化I/O 文件系統(tǒng)，初始化各個(gè)串口并安裝驅(qū)動程 序。初始化工作完成之后，VxWorks操作系 統(tǒng)正式加載，網(wǎng)關(guān)開始工作。 3.2 SPI 接口驅(qū)動程序的開發(fā) SPI接口驅(qū)動程序是為了完成TC700協(xié) 議轉(zhuǎn)換器的CAN通信而設(shè)計(jì)的，在本系統(tǒng) 中，筆者通過移植u-boot中的spi.c文件使該 驅(qū)動能夠在VxWorks操作系統(tǒng)下順利運(yùn)行。 在SPI接口的驅(qū)動程序spi.c中有三個(gè)主要的 功能函數(shù)：sysSpiHwInit()、spi_write（）和 spi_read（）。 (1) sysSpiHwInit()，使SPI能夠正常工 作；初始化參數(shù)RAM；設(shè)置參數(shù)RAM和雙 口RAM的基址等。 (2) spi_write()，該函數(shù)為SPI接口的寫 函數(shù)，定義接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)指針變 量，并為其分配存儲空間；寫入寫數(shù)據(jù)使能 控制字。 (3) spi_read()，該函數(shù)為SPI接口的讀函 數(shù)，同樣也需定義接收、發(fā)送緩沖區(qū)的指針 變量和分配存儲空間；并寫入讀數(shù)據(jù)使能控 制字。 4 CAN 接口驅(qū)動程序流程 VxWorks 操作系統(tǒng)中的I/O 系統(tǒng)中有 兩種基本設(shè)備類型[5]：字符設(shè)備和塊存取設(shè) 備，本文中所研究的CAN 口設(shè)備屬于字符 設(shè)備。I/O 系統(tǒng)為所有的字符設(shè)備提供統(tǒng)一 的訪問接口[6]，其基本作用就是，把用戶請 求分配到與設(shè)備對應(yīng)的驅(qū)動例程中去。 在 CAN 接口驅(qū)動程序的開發(fā)過程中， 我們對VxWorks 的虛擬設(shè)備ttyDrv 進(jìn)行封 裝，使其向上將TTY 設(shè)備安裝到標(biāo)準(zhǔn)的I/O 系統(tǒng)中去，從而完成上層程序?qū)τ布O(shè)備的 操作；向下為實(shí)際的硬件設(shè)備提供底層的設(shè) 備驅(qū)動程序。 4.1 CAN 設(shè)備初始化過程 ①網(wǎng)關(guān)設(shè)備加電后，操作系統(tǒng)啟動， 創(chuàng)建根任務(wù)UsrRoot，并通過該任務(wù)調(diào)用iosInit ( )函數(shù)對VxWorks 的I/O系統(tǒng)進(jìn)行初 始化； ②調(diào)用設(shè)備驅(qū)動初始化函數(shù)ttyDrv( )， 該函數(shù)先初始化CAN設(shè)備驅(qū)動程序，然后調(diào) 用iosLib 庫中的函數(shù)iosDrvInstall( )，為該設(shè) 備的相關(guān)I/O驅(qū)動程序分配一個(gè)驅(qū)動號 （ttyDrvNum = iosDrvInstall (ttyopen, (FUNCPTR) NULL, ttyOpen, ttyClose, tyRead, tyWrite, ttyIoctl);），并將其對應(yīng)的 函數(shù)入口地址增加到驅(qū)動程序表中 （drvTable）； ③ttyDevCreate ( )函數(shù)用來創(chuàng)建設(shè)備 驅(qū)動。首先將已經(jīng)定義并初始化的結(jié)構(gòu)體 TYCO_DEV傳遞給ttyDevCreate ( )函數(shù)，然 后調(diào)用iosDevAdd ( )將設(shè)備名（該設(shè)備名稱 為tyCo/4）和驅(qū)動號（ttyDrvNum）加入設(shè) 備鏈表（iosDvList）中。 CAN設(shè)備驅(qū)動的初始化工作主要包括 為讀寫緩沖區(qū)分配存儲空間、創(chuàng)建讀寫同步 信號量和互斥信號量以及初始化等待任務(wù) 列表等。 4.2 CAN 設(shè)備驅(qū)動程序的訪問過程 系統(tǒng)在對設(shè)備進(jìn)行初始化完畢之后， 應(yīng)用程序可以通過I/O系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行訪 問。但在VxWorks中，應(yīng)用程序是通過打開 命名文件來訪問I/O設(shè)備的。對每個(gè)設(shè)備的 訪問都會看成是對一個(gè)文件的操作，每個(gè)被 打開的文件都會作為一個(gè)條目存儲在文件 描述符表(fdTable)中[2]。 ①調(diào)用open（）函數(shù)打開要訪問的設(shè)備 tyCo/4； ②I/O系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備名（tyCo/4）在設(shè) 備鏈表（iosDvList）中進(jìn)行查找匹配，返回 設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針（ TYCO_DEV * pTyCoDev）； ③被打開的設(shè)備作為文件設(shè)備在文件 描述符表中被分配到一個(gè)空的文件條目 ( FD_ENTRY)； ④I/O系統(tǒng)根據(jù)查找到的設(shè)備驅(qū)動號 （ttyDrvNum）在設(shè)備驅(qū)動程序表（drvTable） 中查找該設(shè)備對應(yīng)的ttyOpen (TYCO_DEVpTyCoDev, char * name, int flags, intmode)驅(qū)動例程。如果成功，則通過該驅(qū)動例程將設(shè)備驅(qū)動描述符指針 （pTyCoDev）、設(shè)備文件名和驅(qū)動返回值 存放在空的文件條目中，并返回一個(gè)文件描 述符（fd）； ⑤應(yīng)用程序通過調(diào)用ioLib中的read或 write函數(shù)對設(shè)備文件進(jìn)行訪問。首先，這兩 個(gè)函數(shù)通過文件描述符（fd）找到對應(yīng)的設(shè) 備描述符。然后根據(jù)設(shè)備描述符找到對應(yīng)的 drvTable表，在DRVTABLE表中調(diào)用TTY設(shè) 備的例程函數(shù)tyWrite ()、tyRead ()，通過這 兩個(gè)例程函數(shù)調(diào)用驅(qū)動程序spi.c 中的 spi_write和spi_read函數(shù)與實(shí)際的CAN接口 硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)CAN報(bào)文 的發(fā)送和接收。 5 結(jié)束語 本文的創(chuàng)新點(diǎn)是作者將UNIX系統(tǒng)下 的SPI接口程序移植到VxWorks系統(tǒng)下，使 其能在VxWorks系統(tǒng)下正常運(yùn)行，從而完成 了TC700網(wǎng)關(guān)的CAN驅(qū)動程序的開發(fā)。另 外，本文提出的TC700CAN接口驅(qū)動程序的 設(shè)計(jì)，是VxWorks的驅(qū)動機(jī)制在X86平臺上 的實(shí)現(xiàn)，其開發(fā)思路也能夠?yàn)榛谄渌脚_ 的CAN接口驅(qū)動開發(fā)提供一些經(jīng)驗(yàn)。傳統(tǒng)的 硬件驅(qū)動程序開發(fā)，需要開發(fā)人員使用匯編 語言編寫軟件程序。而在嵌入式系統(tǒng)中， TC700的驅(qū)動開發(fā)過程是在上層進(jìn)行的，即 軟件驅(qū)動程序的開發(fā)，通過高級語言進(jìn)行程 序編寫即可。實(shí)踐調(diào)試結(jié)果表明：本文所設(shè) 計(jì)的網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了CAN接口驅(qū)動的功能，能可 靠的運(yùn)行并能與CAN總線上的設(shè)備進(jìn)行正 常的數(shù)據(jù)交換，充分體現(xiàn)了CAN總線高性 能、高可靠性的特點(diǎn)。 |
