摘 要： 針MCP2515芯片的特點，提出了一種新的MCP2515驅(qū)動實現(xiàn)方法。把MCP2515的SPI口同MCU的SPI口相連，在EVC下用SPI接口的方式實現(xiàn)MCP2515的驅(qū)動。在驅(qū)動中，再加上了緩沖管理機制和雙注冊的機制，避免CAN總線上的干擾數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞： 緩沖 雙注冊 MCP2515 CAN總線 SPI
在WINCE的驅(qū)動編寫中，一般都采用標(biāo)準(zhǔn)的編寫方式，即分層式結(jié)構(gòu)[1]。分層式結(jié)構(gòu)驅(qū)動程序依賴于一段可在平臺間再使用的代碼，以簡化和縮短開發(fā)時間。這段由微軟提供的代碼稱為模塊設(shè)備驅(qū)動程序MDD，用來實現(xiàn)驅(qū)動程序的核心功能。MDD并不直接存取硬件，而是依靠另一段與硬件有關(guān)的代碼存取硬件，這段代碼被稱為平臺相關(guān)驅(qū)動程序PDD。當(dāng)將一個平臺的分層驅(qū)動程序用于另一個平臺時，只要重寫PDD即可，而不必重寫整個驅(qū)動程序。MDD和PDD之間有一個設(shè)備驅(qū)動程序服務(wù)提供商的接口DDSPI，該接口定義了一些PDD功能，這些功能在執(zhí)行期間內(nèi)被MDD調(diào)用。這種方法相對來說要簡單一些，因為有模版可用，但在調(diào)試驅(qū)動的時很不方便。因為分層結(jié)構(gòu)的驅(qū)動和WINCE的內(nèi)核是密切相關(guān)的，在調(diào)試驅(qū)動程序時，必須先把內(nèi)核編譯好，然后下載內(nèi)核到目標(biāo)平臺上，才能夠調(diào)試，因而效率很低。本文采用另一種脫離內(nèi)核的方式在WINCE中實現(xiàn)MCP2515的驅(qū)動程序，即在EVC的平臺下，通過SPI接口來做驅(qū)動MCP2515的工作。這樣，編寫的驅(qū)動直接編譯成一個動態(tài)鏈接庫" title="動態(tài)鏈接庫">動態(tài)鏈接庫DLL，把這個動態(tài)鏈接庫拷貝到目標(biāo)平臺上，就可以使用。而且，通過這種方式，實現(xiàn)了更加靈活的功能。
1 MCP2515芯片介紹
CAN(Controller Area Network)總線[2]，即控制器局域網(wǎng)總線，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于其高性能、高可靠性及獨特的設(shè)計和適宜的價格而廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制、智能樓宇、醫(yī)療器械、交通工具以及傳感器等領(lǐng)域。CAN是一種基于廣播方式的協(xié)議，主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，一種多主總線,通信介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜或光纖。
Microchip公司推出的CAN總線控制器芯片MCP2515符合CAN2.B技術(shù)規(guī)范并帶有符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，是目前市場上體積最小、最易于使用也是最節(jié)約成本的獨立CAN協(xié)議控制器芯片[3][4]。MCP2515具備最高40MHz時鐘輸入速度以及一個10MHz高速SPI接口，還可根據(jù)前兩個數(shù)據(jù)字節(jié)和11位標(biāo)識符對報文進行濾波。
MCP2515能夠發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀" title="數(shù)據(jù)幀">數(shù)據(jù)幀以及擴展數(shù)據(jù)幀，并具有接收過濾和信息管理的功能。MCP2515通過其SI引腳同MCU進行數(shù)據(jù)傳輸，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達1Mbps。MCU可以通過MCP2515與CAN總線上的其他MCU進行通信。MCP2515內(nèi)含三個14 字節(jié)的發(fā)送緩沖器，二個14字節(jié)的接收緩沖器，并且具有靈活的中斷能力、幀屏蔽和過濾、幀優(yōu)先級設(shè)定等特性。
MCP2515的主要功能參數(shù)：(1)支持CAN協(xié)議2.0A/2.0B；(2)最大" title="最大">最大可編程波特率為1Mbps；(3)有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀兩種數(shù)據(jù)幀可供選擇，每個幀中的數(shù)據(jù)段長可為0~8字節(jié)；(4)支持遠程幀；(5)內(nèi)含3個發(fā)送緩沖器和2個接收緩沖器，并且其優(yōu)先級可編程設(shè)定；(6)內(nèi)含6個29字節(jié)的接收過濾器和2個29字節(jié)的接收過濾屏蔽器；(7)具有(loop-back)自環(huán)檢測模式；(8)標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)段的前兩個字節(jié)的單獨過濾功能。
圖1為MCP2515的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖，其中CAN模塊包括CAN協(xié)議機和發(fā)送、接收緩沖器以及他們的屏蔽器、過濾器。CAN協(xié)議機主要負責(zé)與CAN總線的接口，SPI接口邏輯負責(zé)實現(xiàn)與MCU的接口，而緩沖器、過濾器組和控制邏輯以及與之相關(guān)的位定時發(fā)生器、控制和中斷寄存器則負責(zé)實現(xiàn)各種工作模式的設(shè)定和操作控制。MCP2515芯片在CAN總線上的數(shù)據(jù)接收是通過2個接收緩沖器、2個接收屏蔽器、6個接收過濾器的組合來實現(xiàn)的。CAN總線上只有同時滿足至少任意一個接收屏蔽器和一個接收過濾器的條件的幀，才可以進入接收緩沖器。MCU可以通過SPI接口來讀取MCP2515接收緩沖器里的數(shù)據(jù)。MCP2515對CAN總線的數(shù)據(jù)發(fā)送則沒有限制，只要用MCU通過SPI接口將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入MCP2515的發(fā)送緩沖器，然后再調(diào)用RTS（發(fā)送請求）命令即可將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。MCU通過使用標(biāo)準(zhǔn)SPI讀寫命令對MCP2515寄存器進行讀寫操作。
MCP2515具有靈活的中斷管理功能。它有8個中斷源，包括發(fā)送、接收中斷、各種錯誤中斷以及總線喚醒中斷等。MCU可以通過對MCP2515的中斷允許控制寄存器CANINTE的設(shè)置來設(shè)定和屏蔽各種中斷的發(fā)生條件，并可以通過讀取MCP2515的中斷標(biāo)志位寄存器CANINTE或者讀取CANSTAT寄存器中的ICOD部分來判斷當(dāng)前中斷的中斷源。
2 緩沖管理的驅(qū)動實現(xiàn)
2.1 驅(qū)動框架和流程
按照WINCE的標(biāo)準(zhǔn)的分層結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)MCP2515的驅(qū)動，由于分層結(jié)構(gòu)的WINCE驅(qū)動程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核是緊密結(jié)合在一起的，調(diào)試驅(qū)動時效率很低，而且這種方式實現(xiàn)的驅(qū)動，功能也不夠靈活，所以本文不再采用這種方式，而是直接在EVC下用SPI接口的方式來操作MCP2515芯片。硬件采用三星的ARM內(nèi)核的S3C2440A，該CPU帶有2通道SPI口，可以直接和MCP2515帶的SPI相連。S3C2440A通過SPI口就可以操作MCP2515芯片，實現(xiàn)CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā)。
在CAN總線中，各種在CAN總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀都被分配一個惟一的標(biāo)識符，每個節(jié)點根據(jù)這些標(biāo)識符來確定是否接收這些幀。當(dāng)然還必須與過濾器及屏蔽器配合，共同決定是否接收數(shù)據(jù)" title="接收數(shù)據(jù)">接收數(shù)據(jù)。
本文提到的CAN總線分成父設(shè)備和子設(shè)備，子設(shè)備會主動把自己的數(shù)據(jù)上傳給父設(shè)備，父設(shè)備收到數(shù)據(jù)后，對這些數(shù)據(jù)進行進一步的處理，例如，在屏幕上以圖表的形式顯示出來等。圖2顯示了CAN總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
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CAN父設(shè)備就是一個帶有MCP2515芯片的ARM嵌入式系統(tǒng)。CAN子設(shè)備也可以是一個帶MCP2515的嵌入式系統(tǒng)，也可以是其他一些CAN設(shè)備。本文中主要介紹MCP2515在CAN父設(shè)備上" title="設(shè)備上">設(shè)備上的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)。圖3是驅(qū)動程序框圖。
MCP2515主要提供了狀態(tài)查詢以及中斷兩種數(shù)據(jù)操作模式，本文中MCP2515主要采用狀態(tài)查詢模式進行CAN總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。在系統(tǒng)上電后，先對MCP2515芯片進行初始化的工作，主要是設(shè)置MCP2515芯片的相關(guān)寄存器的值，如設(shè)置波特率，屏蔽寄存器，過濾寄存器等。初始化工作完成后，開啟一個線程負責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)。如果發(fā)送緩沖中有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則發(fā)送數(shù)據(jù)，否則，查詢MCP2515的CANINTF寄存器的第0和1兩位，如果有數(shù)據(jù)則接收數(shù)據(jù)，然后判斷該幀ID是否在父設(shè)備上注冊，如果已注冊，則把數(shù)據(jù)放到接收緩沖區(qū)中，否則，就丟掉繼續(xù)循環(huán)，直到這個線程終止。
2.2 接收緩沖
在驅(qū)動中，為了保證接收的數(shù)據(jù)不會丟失，需要添加一個緩沖，用來緩存接收到的數(shù)據(jù)。在接收緩沖中，完全以幀的形式存放，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。在CAN總線中，主要有以下的幾種幀：
數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)從發(fā)送器至接收器。
遠程幀：總線單元發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有同一識別符的數(shù)據(jù)幀。
錯誤幀：任何單元檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。
過載幀：過載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠程幀）之間提供附加的延時。
當(dāng)然，驅(qū)動程序并不緩存所有的幀，只緩存需要的數(shù)據(jù)幀和遠程幀，以下是驅(qū)動中定義幀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)成員：
DWORD dwID；
BOOL bRemoteFlag；
BOOL bExternFlag；
BYTE DLCLen；
BYTE Data[9]；
結(jié)構(gòu)名稱為CAN_RECV_FRAME，dwID為幀ID，bRemoteFlag是遠程幀標(biāo)志，bExternFlag 為擴展幀標(biāo)志，DLCLen是數(shù)據(jù)長度，它可以是0～8中的任何數(shù)值，Data[9]是幀數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，最多使用其中8個字節(jié)。然后定義CList類型的成員變量m_RevList作為一個接收的隊列：
CList
在對緩沖區(qū)初始化時，一次就分配了足夠的數(shù)據(jù)空間，而不必在使用時再動態(tài)申請內(nèi)存，這樣保證了系統(tǒng)占用的內(nèi)存資源的確定性。線程在存取緩沖區(qū)時必須要事先鎖定，保證在一個時刻只有一個線程對緩沖區(qū)進行存取操作。為了提高對資源的利用率，驅(qū)動中把緩沖變成一個循環(huán)隊列，再定義了一個RECV_FRAME_USE的結(jié)構(gòu)來管理緩沖區(qū)，該結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)成員如下：
POSITION pHead；
POSITION pTail；
Int iLen；
pHead是頭指針，pTail是尾指針，iLen為隊列使用長度。有了RECV_FRAME_USE這個結(jié)構(gòu)后，緩沖區(qū)就成了一個幀的循環(huán)隊列。在系統(tǒng)收到幀時，就把該幀放到隊列的后面。如果數(shù)據(jù)緩沖區(qū)已滿，則清空頭一幀，實現(xiàn)先進先出。在沒有加上過濾以前，收到的總線上的所有的數(shù)據(jù)幀都放在緩沖中。
2.3 發(fā)送緩沖
發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)不同，接收緩沖區(qū)之所以這樣設(shè)計，是因為在MCP2515收到數(shù)據(jù)后，要進行解幀，把幀ID、幀的類型、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)這些信息分開，分別存放在幀結(jié)構(gòu)的對應(yīng)變量中，這樣可方便后續(xù)的處理。但是在發(fā)送時必須先進行組幀，而且要讓MCP2515把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，必須把幀的數(shù)據(jù)(如幀ID、何種幀、數(shù)據(jù)的長度以及數(shù)據(jù)等)按MCP2515的要求，送到MCP2515相應(yīng)寄存器中的對應(yīng)位。所以，在組織發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須把要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照MCP2515的寄存器要求進行組織，這樣在發(fā)送時，直接把組織好的數(shù)據(jù)逐字節(jié)送到對應(yīng)的MCP2515的寄存器即可。MCP2515有三個14字節(jié)SRAM發(fā)送緩沖，并映射到存儲器中。其中第一字節(jié)TXBNCTRL 是與報文緩沖器相關(guān)的控制寄存器。該寄存器中的信息決定了報文在何種條件下被發(fā)送，并在報文發(fā)送時指示其狀態(tài)。用5個字節(jié)來裝載標(biāo)準(zhǔn)和擴展標(biāo)識符以及其他報文仲裁信息。最后8個字節(jié)用來裝載等待發(fā)送的報文的8個可能的數(shù)據(jù)字節(jié)。所以，在發(fā)送緩沖區(qū)中，只保存5個字節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)和擴展標(biāo)識符以及其他報文仲裁信息，8個字節(jié)用來保存發(fā)送的數(shù)據(jù)。在驅(qū)動中，定義了一個名為MCP2515_SEND_BUFFER的發(fā)送緩沖區(qū)，以下是該緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)成員。
DWORD dwWritePointer；
DWORD dwReadPointer；
BYTE Data[MAX_SEND_LEN]
該緩沖區(qū)也是一個循環(huán)緩沖，dwWritePointer為發(fā)送緩沖的寫指針，dwReadPointer為發(fā)送緩沖的讀指針，Data就是存放幀數(shù)據(jù)的隊列，MAX_SEND_LEN為隊列的最大長度。該隊列的數(shù)據(jù)格式是：長度+5個字節(jié)標(biāo)示符+數(shù)據(jù)。因為數(shù)據(jù)的長度最大為8個字節(jié)，得出長度最大就是13個字節(jié)。所以，長度用BYTE型就可以表示了，這樣pData存放的數(shù)據(jù)就很規(guī)整。在發(fā)送時，從pData中取走一幀后，直接把前5個字節(jié)標(biāo)準(zhǔn)和擴展標(biāo)識符以及其他報文仲裁信息和后面數(shù)據(jù)字節(jié)送到MCP2515對應(yīng)對寄存器即可，不用解幀和組幀過程，從而加快發(fā)送進程。
2.4 雙注冊機制
MCP2515芯片具有兩個驗收屏蔽寄存器（分別對應(yīng)不同的接收緩沖器）以及六個驗收過濾寄存器，它們共同來決定報文是否應(yīng)被載入接收緩沖器。 一旦報文集成緩沖器（MBA）接收到有效報文，報文中的標(biāo)識符字段將與過濾寄存器中的值進行比較。如果兩者匹配，該報文將被載入相應(yīng)的接收緩沖器。濾波屏蔽寄存器用來確定濾波器對標(biāo)識符中的哪些位進行校驗，這樣可以直接屏蔽一些不希望收到的數(shù)據(jù)。這一機制對于所有的有MCP2515芯片的設(shè)備都是有用的。在利用緩沖區(qū)來緩存收到的數(shù)據(jù)后，畢竟驅(qū)動程序中的緩沖區(qū)大小受限，有時并不需要把所有收到的數(shù)據(jù)放在緩沖中，所以對進入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)再加上一次過濾，即在父設(shè)備上注冊的機制。只有在父設(shè)備上注冊了ID的子設(shè)備，父設(shè)備才會把數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。在父設(shè)備的驅(qū)動中，有一個列表專門用來保存子設(shè)備注冊的ID，每次父設(shè)備收到數(shù)據(jù)在放到緩沖區(qū)中以前，都會比較一下，在列表中有沒有這個ID，如有就放到緩沖區(qū)中，如沒有則丟掉。這樣又可以屏蔽掉總線上的一些無關(guān)的數(shù)據(jù)，從而提高了效率。
本文詳細介紹了MCP2515在WINCE中的實現(xiàn)過程和主要技術(shù)，但是限于篇幅，沒能給出詳細的軟件源程序。實踐證明，該驅(qū)動在CAN總線實際的應(yīng)用中效果明顯，既提高了開發(fā)的效率，又實現(xiàn)了更靈活的功能。
參考文獻
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