1        引言

基于嵌入式系統(tǒng)設計的工業(yè)控制裝置，在工業(yè)控制現(xiàn)場受到各種干擾，如電磁、粉塵、天氣等對系統(tǒng)的正常運行造成很大的影響。在工業(yè)控制現(xiàn)場各個設備之間要經常交換、傳輸數(shù)據(jù)，需要一種抗干擾性強、穩(wěn)定、傳輸速率快的現(xiàn)場總線進行通信。文章采用CAN總線，基于嵌入式系統(tǒng)32位的S3C44B0X微處理器，通過其SPI接口，MCP2510 CAN控制器擴展CAN總線；將嵌入式操作系統(tǒng)嵌入到S3C44B0X微處理器中，能實現(xiàn)多任務、友好圖形用戶界面；針對S3C44B0X微處理器沒有內存管理單元MMU，采用uClinux嵌入式操作系統(tǒng)。這樣在嵌入式系統(tǒng)中擴展CAN設備關鍵技術就是CAN設備在嵌入式操作系統(tǒng)下驅動程序的實現(xiàn)。文章重點解決了CAN總線在嵌入式操作系統(tǒng)下驅動程序實現(xiàn)的問題。對于用戶來說，CAN設備在嵌入式操作系統(tǒng)驅動的實現(xiàn)為用戶屏蔽了硬件的細節(jié)，用戶不用關心硬件就可以編出自己的用戶程序。實驗結果表明驅動程序的正確性，能提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力，穩(wěn)定性好，最大傳輸速率達到1Mb/s；硬件的錯誤檢定特性也增強了CAN的抗電磁干擾能力。

2        系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)采用S3C44B0X微處理器,需要擴展CAN控制器。常用的CAN控制器有SJA1000和MCP2510,這兩種芯片都支持CAN2.0B標準。SJA1000采用的總線是地址線和數(shù)據(jù)線復用的方式，但是嵌入式處理器外部總線大多是地址線和數(shù)據(jù)線分開的結構，這樣每次對SJA1000操作時需要先后寫入地址和數(shù)據(jù)2次數(shù)據(jù)，而且SJA1000使用5V邏輯電平。所以應用MCP2510控制器進行擴展，收發(fā)器采用82C250。MCP2510控制器特點：1.支持標準格式和擴展格式的CAN數(shù)據(jù)幀結構（CAN2.0B）；2.0～8字節(jié)的有效數(shù)據(jù)長度，支持遠程幀；3.最大1Mb/s的可編程波特率；4.2個支持過濾器的接受緩沖區(qū)，3個發(fā)送緩沖區(qū)；5.SPI高速串行總線，最大5MHz；6.3～5.5V寬電壓范圍供電。MCP2510工作電壓為3.3V，能夠直接與S3C44B0X微處理器I/O口相連。為了進一步提高系統(tǒng)抗干擾性，可在CAN控制器和收發(fā)器之間加一個光隔6N137。其結構原理框圖如圖1：

  圖1.S3C44B0X擴展CAN結構框圖                 圖2.字符設備注冊表

3        CAN設備驅動程序的設計

Linux把設備看成特殊的文件進行管理，添加一種設備，首先要注冊該設備，增加它的驅動。設備驅動程序是操作系統(tǒng)內核與設備硬件之間的接口，并為應用程序屏蔽了硬件細節(jié)。在linux中用戶進程不能直接對物理設備進行操作，必須通過系統(tǒng)調用向內核提出請求，由內核調用相應的設備驅動。因此首先建立Linux設備管理、設備驅動、設備注冊、Linux中斷這幾個概念。

3.1 Linux的設備管理

Linux支持各種各樣的外圍設備,對這些設備的管理通稱為設備管理。設備管理分為兩部分：一部分是驅動程序的上層，與設備無關的，這部分根據(jù)輸入輸出請求，通過特定的設備驅動程序接口與設備進行通信；另一部分是下層，與設備有關的，通常稱為設備驅動程序，它直接與硬件打交道，并且向上層提供一組訪問接口。Linux設備管理為了對設備進行讀、寫等操作，把物理設備邏輯化，把它看成特殊的文件，稱為設備文件，采用文件系統(tǒng)接口和系統(tǒng)調用來管理和控制設備。Linux把設備分為三類，塊設備、字符設備和網絡設備。每類設備都有不同管理控制方式和不同的驅動程序，這樣方便于對系統(tǒng)進行裁減。Linux內核對設備的識別是根據(jù)設備類型和設備號。在字符設備中使用同一個驅動程序的每種設備都有唯一的主設備號。CAN設備通過在/vendor/Samsung/44b0/Makefile文件下設置設備類型和設備號分別為can、125。

3.2 file_operations結構體

Linux對設備操作的具體實現(xiàn)是由設備驅動程序完成。設備驅動程序加載到系統(tǒng)中通過設備注冊實現(xiàn)。Linux驅動程序對文件的操作通過file_operations結構體來完成。file_operations結構體是文件操作函數(shù)指針的集合。在設備管理中該結構體各個成員項指向的操作函數(shù)就是設備驅動程序的各個操作例程，編寫驅動程序實質上就是編寫該結構體中的各個函數(shù)。對不同的設備可以配備其中全部或部分的操作函數(shù)，不使用的函數(shù)指針置為NULL。下面是CAN設備file_operations結構體：

Static struct file_operations {

write:   s3c44b0_mcp2510_write,//寫操作

read:    s3c44b0_mcp2510_read,//讀操作

ioctl:   s3c44b0_mcp2510_ioctl,//讀寫之外的操作

open:    s3c44b0_mcp2510_open,//打開設備

release:  s3c44b0_mcp2510_release};//關閉設備

這個結構的每一個成員的名字都對應著一個系統(tǒng)調用。用戶進程利用系統(tǒng)調用，來調用自己的驅動接口,系統(tǒng)調用通過設備文件的主設備號找到相應的設備驅動程序,然后讀取這個數(shù)據(jù)結構相應的函數(shù)指針,接著把控制權交給該函數(shù)。

3.3 設備注冊

在linux中，當一種設備安裝到系統(tǒng)時必須向系統(tǒng)進行注冊，設備注冊的主要任務是把設備驅動程序加載到系統(tǒng)中。Linux對不同的設備（如字符設備和塊設備）分開進行注冊管理。每個設備描述符包括兩個指針：name指向設備名字符串，fops指向文件操作函數(shù)結構file_operations，該結構體中包含著指向驅動程序各個操作例程的指針。圖2給出了linux字符設備注冊表的示意圖。CAN字符設備的注冊函數(shù)是內核函數(shù):register_chrdev(MAJOR_NR,DEVICE_NAME,&s3c44b0_mcp2510_fops);

其中參數(shù)DEVICE_NAME表示設備名，s3c44b0_mcp2510_fops表示指向file_operations結構體的指針，即指向設備的驅動程序。

3.4 Linux中斷的處理

在linux系統(tǒng)里，對中斷的處理是屬于系統(tǒng)核心部分，因而如果設備與系統(tǒng)之間以中斷方式進行數(shù)據(jù)交換，就必須把該設備的驅動程序作為系統(tǒng)核心的一部分。設備驅動程序通過用request_irq函數(shù)來申請中斷，通過free_irq來釋放中斷。由于本實驗未用到中斷，因此在此不作詳細介紹。

3.5 CAN驅動程序的實現(xiàn)

3.5.1 編寫驅動程序操作例程

CAN設備屬于字符設備，對于CAN總線設備，除了發(fā)送（使用write方法）、接受（使用read方法）以外，還需要控制CAN總線通信的波特率、設置工作模式、設置ID等，所以使用ioctl是最合適的方法。

CAN驅動程序的入口函數(shù)：

int __init s3c44b0_mcp2510_init(void){ARMTargetInit();//初始化ARM

init_MCP2510(BandRat125kbps);//初始化CAN控制器  ret=register_chrdev(MAJOR_NR,DEVICE_NAME,&s3c44b0_mcp2510_fops);}//注冊CAN設備

CAN驅動程序的退出函數(shù)：void __exit s3c44b0_mcp2510_exit(void){

unregister_chrdev(MAJOR_NR,DEVICE_NAME);printk("MCP2510 Eixt！n");}

[!--empirenews.page--]編寫CAN設備驅動程序各個操作例程：

1.ioctl函數(shù)：

Static int s3c44b0_mcp2510_ioctl (struct inode * inode,struct file *file, unsined cmd ,unsigned long arg){switch(cmd){case SETBAND://設置波特率

MCP2510_SetBandRate(BandRate,TRUE);break；case SETLPBK://設置工作方式

MCP2510_Write(CLKCTRL, MODE_LOOPBACK| CLK| CLK1);break;case SETID://設置標識符

MCP2510_Write_Can_ID(RXF0SIDH,U8 ID,0);break;case SETFILTER: //設置屏蔽碼

MCP2510_Write_Can_ID(RXM0SIDH,0x1ff,0);break;}}

2.open函數(shù)（打開設備）：

static int s3c44b0_mcp2510_open(struct inode *inode,struct file *file)

{printk("device openn");return 0;}

3.write函數(shù)（發(fā)送數(shù)據(jù)）：

static ssize_t s3c44b0_mcp2510_write(struct file *file,const char *buffer,size_t count,loff_t *ppos){copy_from_user(&temp,buffer,sizeof(mcpcan_data));   canWrite(temp.id,temp.data,temp.DataLen,temp.IdType,temp.BufNo);}//發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)                                                                                                                                              

4.read函數(shù)（接收數(shù)據(jù)）：

static ssize_t s3c44b0_mcp2510_read(struct file *file,char *buffer,size_t count,loff_t *ppos){Revdata(0x66,datas,0x08);//接收數(shù)據(jù)函數(shù)

copy_to_user(buffer,Receivedata.data,0x08);return count;}

3.5.2交叉編譯CAN驅動程序

交叉編譯驅動程序需要一臺裝了Red Hat Linux的宿主機。安裝交叉編譯工具的方法請參考相關文檔（交叉編譯工具：arm-elf-tools-20030314.sh）。驅動程序的使用可以按照兩種方式進行編譯，一種是靜態(tài)編譯進內核，一種是編譯成模塊以供動態(tài)加載。由于uclinux不支持模塊動態(tài)加載，所以這里只介紹將驅動程序靜態(tài)編譯進內核的方法。為了讓編譯器編譯所添加的驅動程序，需要修改相關文件。

1.修改/linux-2.4.x/driver/char/Makefile文件，增加：

Ifeq((tab鍵)$(CONFIG_MCP2510),Y)      （換行）Obj-y+=akaeled.o

Endif//這幾句話的意思是如果配置了mcp2510，則把mcp2510.o加進內核。

2.修改linux-2.4.x/driver/char/mem.c，在文件中增加如下代碼:

#ifdef CONFIG_MCP2510   （換行）extern void mcp2510_init();

#endif//通過該文件告訴內核調用相應的CAN驅動程序

#ifdef CONFIG_MCP2510     （換行）mcp2510_init();       （換行）#endif

3.修改linux-2.4.x/driver/char/Config.in文件，在字符字段內添加如下代碼：

Bool ‘mcp2510 support’ CONFIG_MCP2510

這樣在make menuconfig時將出現(xiàn)mcp2510的配置選項。

4.修改/uClinux/vendor/Samsung/44b0/Makefile

在DEVICES部分添加內容:can, c, 125, 0。這句話的意思是在device中注冊一個字符設備can，該設備主設備號為125，次設備號為0。在make menuconfig時進入Character devices,選中里面的support mcp2510。在root權限下執(zhí)行下列命令編譯內核：

1、#make dep；2、#make lib_only；3、#make romfs；4、#make image；5、#make

4        CAN驅動程序的測試

4.1 編寫應用程序

為了驗證所添加的驅動程序的正確性，編寫一個應用程序CAN2510.C進行測試，在應用程序中使用下面函數(shù)創(chuàng)建一個線程用來發(fā)送數(shù)據(jù)：

pthread_creat(&id,NULL,(void *)cansend,&sendata)；

在cansend()函數(shù)中用write()函數(shù)調用驅動程序s3c44b0_mcp2510_write（）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，用read（）函數(shù)調用驅動程序s3c44b0_mcp2510_read()接收節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，用printf()輸出節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，驗證接收到的數(shù)據(jù)是否正確。

4.2  編譯CAN應用程序

編譯應用程序有兩種方法：一是放到內核中編譯，這種方法需要寫一個Makefile文件，還需要修改相應文件，比較麻煩；另外一種辦法是單獨編譯，把編譯產生的可執(zhí)行文件添加到uclinux文件系統(tǒng)romfs中的bin文件夾下，重新編譯內核。本實驗采用了后者。執(zhí)行：#arm-elf-gcc –elf2flt can2510.c –o can2510 –lpthread

其中arm-elf-gcc是編譯器，增加參數(shù)–elf2flt是由于uclinux只支持flat格式的可執(zhí)行文件，-0是對編譯進行優(yōu)化，can2510是編譯產生的可執(zhí)行文件名稱。把can2510復制到/home/cai/uclinux/romfs/bin目錄下，重新編譯內核，把產生的映像文件image.rom或image.ram下載到目標板，運行can2510進行CAN驅動測試。

5  結論

本文的創(chuàng)新點：在分析Linux設備驅動程序工作原理和結構的基礎上，獨立添加了CAN總線設備驅動程序到嵌入式操作系統(tǒng)Linux中。經實驗表明嵌入式系統(tǒng)下擴展CAN總線傳輸數(shù)據(jù)可靠、抗干擾強，在工業(yè)控制場合有很大的使用價值；同時，CAN設備在嵌入式操作系統(tǒng)linux下驅動程序的成功實現(xiàn)，為在嵌入式系統(tǒng)中擴展其他硬件設備驅動程序提供了很好的參考價值。