1、引言

隨著工業控制系統逐步的自動化，現代化，現場總線控制系統得到越來越多的重視和應用，CAN總線是目前開發簡單，性能價格比高的一種現場總線 。相對其他現場總線而言，CAN通信控制器的生產廠家最多、品種最全、應用也最為廣泛?；诂F場總線控制系統智能化、復雜度的提高，作為現場總線的核心部件微處理器，傳統的51芯片，甚至ARM7已經逐漸不能滿足需要，ARM9成為合適的選擇。但許多ARM9并沒有集成CAN接口，擴展CAN接口成為當務之急。且ARM9將數據地址總線分開，而CAN控制器為數據地址總線復用，使得CAN的擴展不能一味照搬51處理器的方式。在CAN模塊驅動開發上，現有資料往往只針對Linux系統上的驅動開發 進行介紹，而現場總線控制系統對實時性的要求使得Linux系統要讓位于更多的實時操作系統。

本文介紹了一種基于ARM920T現場總線的控制系統，詳細說明了其上擴展CAN總線的兩種方式，并給出具體的CAN模塊在實時操作系統eCos 上驅動程序開發的步驟，最后對兩種擴展進行了簡要的比較。

2、現場總線控制系統簡介

該現場總線控制系統采用EP9315為核心處理器。EP9315是Cirrus Logic公司開發的一款基于ARM920T的工業級處理器。該現場總線控制系統除了外擴的CAN總線接口、還外擴64Mb SDRAM和32MB FLASH、并帶有PCMCIA 接口、E PROM接口、512kb SRAM、IDE接口、實時時鐘、視頻顯示、彩色VGA TFT LCD觸摸屏、支持模擬VGA連接、視頻解碼支持壓縮視頻輸出和S-VIDEO輸出、PS/2鍵盤，三個USB接口、三個串行接口、音頻接口、1/10/100Mbps以太網接口、紅外線接收口；實現了控制系統的數字化、智能化；可實現多種功能，使系統的控制功能本地化，提高了系統的可靠性、實時性；簡化了系統的結構。多接口的系統結構使系統的擴展，變更，拆裝更加靈活便利。

3、硬件系統擴展

3.1 CAN總線模塊結構

本文使用SJA1000T作為CAN控制器擴展CAN模塊 。SJA1000T是使用于汽車和一般工業環境的獨立CAN總線控制器，具有完成CAN高性能通信協議所要求的全部必要特性；具有簡單總線連接的SJA1000T可完成物理層和數據鏈路層的所有功能。支持CAN2.0協議。

CAN總線收發器TJA1040T是CAN控制器和物理總線之間的接口芯片，增強了總線的驅動能力，從而增加CAN總線的通信距離并使得一條總線上可以掛更多的節點。

為增強CAN總線節點的抗干擾能力 ，SJA1000T的TXO和RXO并不直接與TJA1040的TXD和RXD相連，而是通過兩片光耦隔離芯片6N137與TJA1040T相連。很好地實現了收發器與控制器之間的電氣隔離，保護智能節點核心電路安全工作；并實現了總線上各CAN節點間的電氣隔離。需要強調的是：為實現這種電氣隔離，光耦器件兩側的直流電源必須是兩個無直接電氣聯系、相互隔離的直流電源。因而采用兩路DC-DC隔離電源實現。為進一步加強安全性和抗干擾能力，可在總線收發器TJA1040T與CAN總線間串接限流電阻，避免TJA1040T受過流沖擊。同時，在CANH和CANL,與地之間并聯了濾波電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾，并具備一定的防電磁輻射能力。此外，通信信號在線路上傳輸時，信號傳輸到導線的端點時會發生反射，反射信號會干擾正常信號的傳輸。為消除這種影響，可在CAN總線兩端并接匹配電阻，起到匹配總線阻抗和消除反射的雙重作用。若忽略這些措施，會使數據通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無法通信。

3.2 CAN模塊與ARM9的兩種連接方式

SJA1000T數據地址總線復用，而整個ARM9系列包括ARM920T數據和地址總線分開。這就使得它與ARM9系列的連接不能像傳統的用于51單片機系列方式擴展連接，本文給出兩種擴展方式 ：全部IO口連接方式和最少IO口的數據信號線連接方式。

3.2.1 IO接口連接

微處理器的通用IO口可以提供一個簡便的方法來控制SJA100T。EP9315的GPIO信號提供了很大的靈活度來滿足SJA1000T時間上的要求。將SJA1000T數據地址復用總線全部與EP9315的通用IO接口連接。其它信號線WR、RD、ALE……也與IO接口連接。具體連接方式參考圖2。

3.2.2 數據信號線連接

除了全部由IO端口來控制CAN模塊，還可利用ARM9的數據線和信號線來實現CAN模塊的擴展。連接電路如圖3所示，凡SJA1000T以外的信號均為EP9315芯片上的信號管腳，SJA1000T數據地址復用總線與EP9315數據線相連，GPIOx、GPIOy、GPIOz可以是EP9315任意GPIO引腳，但選擇同一個通道的GPIO口將使編程更容易。注意SJA100T的INT可以連接CPU的INT也可以連接到帶有中斷的通用IO上。在EP9315中，GPIO的通道A，B，F有中斷功能。

圖2和圖3是示意圖，具體的由于EP9315信號高電平為3.3V，而SJA1000T高電平為5V,故需要通過74LVC245這類電平匹配芯片進行電平匹配后再連接。

4、驅動開發

由于現場總線控制系統在許多場合具有實時性的要求，本現場總線控制系統采用實時性高的eCos作為操作系統，CAN驅動程序也在eCos操作系統 上進行擴展。

對eCos系統的設備驅動程序的設計主要圍繞著DEVTAB_ENTRY和DEVIO_TAB進行，添加新設備的工作就是對這兩個表項的各個域進行實現，并且編寫與硬件相關的底層函數。通過對驅動程序結構層次的剖析，CAN總線驅動的開發分為四步：

第一步：向內核注冊新設備；

第二步：開發驅動程序基本IO函數；

第三步：實現中斷處理函數；

第四步：綁定設備中斷并進行驗證。

具體實現過程如下：

4.1 向內核注冊新設備

在向內核注冊新設備時，原有的驅動程序中和硬件無關的部分仍然可以使用，例如設備I/O函數表，硬件相關的部分需要自行設計，包括設備描述符、設備名、設備初始化程序init、查找程序lookup和拓展CAN總線的數據結構。

拓展CAN總線的數據結構Can_bus時一組用于描述對設備進行的全部操作的數據結構。通過宏Can_bus產生can總線的數據結構，宏Can_bus的原型為：

Can_bus(1,funs,modereg,intrenreg,bustime,outpctr,clkdiv,acptcode,acptmask,flag)

參數說明如下：

l-該數據結構的語言標識符

funs接口函數組，即硬件接口函數。

flags驅動程序初始表示值。

modereg工作模式初始值

intrenreg中斷允許初始值

bustime總線時鐘1，和總線時鐘2初始值

outpctr輸出控制

clkdiv分時

acptcode驗收代碼

acptmask驗收屏蔽

在產生CAN總線的設備表入口時首先要創建can總線的數據對象Can_bus，并且初始化以上所有參數。拓展CAN總線的Can_bus數據對象標識符為EP9315_can_bus。

拓展CAN總線的設備表入口對象實現如下：

DEVTAB_ENTRY(EP9315_can_io0,

CYGDAT_IO_CAN_EP9315_CAN0_NAME,

0,

&cyg_io_can_devio,

EP9315_can_init, //拓展CAN的初始化函數

EP9315_can_lookup, //拓展CAN的查找函數

&EP9315_can_bus //CAN數據結構Can_bus

);

4.2 開發驅動程序基本IO函數

這部分函數指的是驅動程序接口函數中與硬件相關的部分，也就是Can_bus數據結構中的funs接口函數表。funs函數表通過以下宏進行定義：

CAN_FUNS(l,putc,getc,set_config,start_xmit,stop_xmit)

參數說明如下：

l是該funs函數表的C語言標實符。

putc函數：bool (*putc)(can_bus *priv,unsigned char c)該函數發送一個字符到串口。如果發送成功，則返回true,否則返回false。

getc函數：unsigned char (*getc)(can_bus *priv)該函數從設備接口讀取一個字符，它只用于非中斷方式，通過查詢設備是否處于準備（ready）狀態來等待一個字符。

set_config函數：bool (*set_config)(can_bus *priv,cyg_can_info_t *config)該函數用于對指定的端口配置。如果對硬件配置成功，則返回true;如果端口不支持給定的配置參數，則返回false。

start_xmit函數：void (*start_xmit)can_bus *priv)在中斷方式下，該函數使能發送端，允許發送中斷的產生。

stop_xmit函數：void (*stop_xmit)(can_bus *priv)在中斷方式下，當數據發送結束后，該函數進制發送端，進制發送中斷產生。

start_recv函數：void (*stop_xmit)(can_bus *priv)

stop_recv函數：void (*stop_xmit)(can_bus *priv)

4.3 發送中斷處理函數

CAN總線在中斷方式下的負責對中斷進行處理函數是中斷服務程序ISR和中斷滯后服務程序DSR。對中斷的處理主要有三種模式，第一種模式是在中斷服務程序ISR內完成所有設備處理工作，第二種是在中斷滯后服務程序DSR內實現，第三中是將對設備的處理推遲到中斷線程內進行。在驅動程序的設計中采用的是第二種模式。

在這種模式中，中斷處理程序ISR只是簡單的通過對設備進行編程或者直接調用cyg_drv_interrupt_mask()函數防止新中斷的產生，然后將調用DSR作進一步的處理。DSR完成大部分的硬件處理工作，并有可能對某個條件變量產生一個信號來喚醒新的中斷。最后，DSR調用cyg_drv_interrupt_unmask(),重新使能中斷。中斷處理過程如圖所示：

4.4 綁定設備中斷

設備驅動程序的初始化函數在系統初始化過程或者設備初始使用時被調用，初始化函數不僅要設置設備的參數，還要為設備分配相應的數據結構：例如輸入輸出緩沖區等，最后還將設備中斷進行綁定。

每一個設備在初始化時會產生一個對應的中斷對象，所有的中斷對象存儲在系統的中斷向量鏈表中。當某個中斷發生時，系統根據中斷碼到中斷向量鏈表中尋找相應的中斷對象，再跳轉到中斷對象記錄的中斷處理程序的位置執行。

宏cyg_drv_interrupt_create(vector,priority,data,isr,dsr,handle,intr)用于產生設備的中斷對象。其中，vector是中斷向量，priority中斷優先級，data是數據指針，isr是中斷處理程序ISR的地址，dsr是中斷滯后處理程序DSR的地址，handle是返回句柄，intr是中斷對象存放的位置。

宏cyg_drv_interrupt_attach(interrupt)用于將中斷向量加入到中斷向量鏈表。參數interrupt是將要連接的中斷的句柄。

設備中斷綁定后，當設備產生中斷時系統會找到相應的中斷向量，然后把控制權交給中斷處理程序，進行中斷的處理。

5、兩種擴展方式比較

對于兩種不同的CAN與ARM9連接方式，IO口連接直觀簡單；而利用數據信號線連接能節省IO口，給CPU更多開發空間。兩者在驅動程序上差異不大，主要體現在底層數據讀寫時序實現上。前者簡單易于編寫和理解，后者只是在對時序的理解上略有難度，并不會使代碼更加冗長。

6、結束語

本文通過在現場總線控制系統上擴展CAN總線模塊，詳細講解了如何在ARM9上擴展CAN總線模塊，給出了全IO口擴展和利用數據信號線擴展兩種方式；并詳細說明如何在高實時性操作系統eCos上開發CAN驅動程序；最后對兩種擴展方式做了簡單的比較。該現場總線控制系統在國家十一五某國防項目中得到了很好的應用。同時也為大中型國有企業自動化生產線的建設和改造，電力系統自動化的實現提供很好的借鑒。

參考文獻

[1] 史久根等. CAN現場總線系統設計技術[M]. 北京:國防工業出版社,2004.

[2] 鄔寬明. CAN總線原理和應用系統設計[M]. 北京:北京航空航天大學出版社，1995.

[3] 王京起等. 嵌入是可配置實時操作系統eCos技術及實現機制[M] . 北京：電子工業出版社，2005.

[4] 張紹忠,王輝. 基于SJA1000的CAN總線智能節點實現[J].電子技術應用,2006(8):22-25.

[5] 王松月,楊福興. 基于ARM920T嵌人式通信控制系統設備驅動開發[J].電力自動化設備, 2006.26(6):75-78.WANG Song-yue, YANG Fu-xing，Driver development for embedded communication control system based on ARM920T[J]. Electric power Automation Equipment，2006，26(6):75-78.

[6] Freund L, Dupont D, Israel M, Rousseau F. Overview of the ECOS project[J]. Rapid System Prototyping, 1997’Shortening the Path from Specification to Prototype’. Proceedings, 8th IEEE International Workshop on 24-26, 1997.6:39-43.

[7] Anthony J. Massa. Embedded Software Development with eCos[J]. PRENTICE HALL, Publishing as Prentice Hall Professional Technical Reference, 2003, 7-10, 315-322.

[8] How to Connect NAND Flash Memory to an EP93xx[J]. http://www.cirrus.com. 2005.2.