EM9260嵌入式Linux工控板的CAN通訊方案解析

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，由于具有高性能、高可靠性以及簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在工業(yè)系統(tǒng)中越來越受到人們的重視，并迅速成為了目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

英利嵌入式Linux工控主板EM9260是一款面向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的高性價(jià)比工控板，板上帶有標(biāo)準(zhǔn)CAN通訊接口。與板上其他標(biāo)準(zhǔn)通訊接口一樣，EM9260的CAN接口實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序可以通過打開文件的進(jìn)行讀寫的標(biāo)準(zhǔn)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線接口的數(shù)據(jù)通訊。本文側(cè)重于介紹CAN通訊方案。

硬件組成

EM9260嵌入式Linux工控板的CAN均采用了PHILIPS半導(dǎo)體公司的SJA1000T CAN總線控制器，SJA1000是一款獨(dú)立的控制器，主要用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）芯片，它是PHILIPS半導(dǎo)體PCA82C200 CAN控制器（BasicCAN）的替代產(chǎn)品，而且它增加了一種新的工作模式（PeliCAN），這種模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議。

EM9260的CAN通訊接口可提供高達(dá)1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，當(dāng)采用5Kbps的的數(shù)據(jù)傳輸速率時(shí)其通訊距離最高可達(dá)到10KM。硬件的錯(cuò)誤檢定特性也增強(qiáng)了CAN的抗電磁干擾能力，這給數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程可靠傳輸提供了有利保證。

EM9260的CAN通訊接口根據(jù)用戶的需要分為兩種：一種帶光電隔離，一種不帶光電隔離。帶光電隔離CAN總線通訊模塊的CAN收發(fā)器端的所有信號(hào)和電源與其它部分完全隔離，可承受至少1Kv（有效值）的電壓沖擊。光電隔離的功能可在EM9260的應(yīng)用底板上來實(shí)現(xiàn)，英利公司在EM9260評(píng)估底板上提供了相應(yīng)的參考電路。

CAN驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)

1、CAN報(bào)文的幀格式簡(jiǎn)介
在CAN2.0B中存在兩種不同的幀格式，其主要的區(qū)別在于標(biāo)識(shí)符的長(zhǎng)度，具有11位標(biāo)識(shí)符的幀稱為標(biāo)準(zhǔn)幀，而包括有29位標(biāo)識(shí)符的幀稱為擴(kuò)展幀。下面分別介紹數(shù)據(jù)幀的格式。

1、CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀
CAN標(biāo)準(zhǔn)幀信息為11個(gè)字節(jié)，包括兩部分：信息和數(shù)據(jù)部分。前3個(gè)字節(jié)為信息部分，如圖所示：

注：1、字節(jié)1為幀信息。D7位表示幀格式，在標(biāo)準(zhǔn)幀中，F(xiàn)F=0；D6位表示幀的類型，RTR=0表示為數(shù)據(jù)幀，RTR=1表示為
遠(yuǎn)程幀，在一般的數(shù)據(jù)通訊中，只使用數(shù)據(jù)幀；DLC表示數(shù)據(jù)幀實(shí)際的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
2、字節(jié)2、字節(jié)3為報(bào)文識(shí)別碼，11位有效
3、字節(jié)4～字節(jié)11為數(shù)據(jù)幀的實(shí)際數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程幀時(shí)無效

2、CAN2.0B擴(kuò)展幀
CAN標(biāo)準(zhǔn)幀信息為13個(gè)字節(jié)，包括兩部分：信息和數(shù)據(jù)部分。前5個(gè)字節(jié)為信息部分，如圖所示：

注：1、字節(jié)1為幀信息。D7位表示幀格式，在擴(kuò)展幀中，F(xiàn)F=1；D6位表示幀的類型，RTR=0表示為數(shù)據(jù)幀，RTR=1表示為
遠(yuǎn)程幀；DLC表示數(shù)據(jù)幀實(shí)際的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
2、字節(jié)2～字節(jié)5為報(bào)文識(shí)別碼，29位有效
3、字節(jié)6～字節(jié)13為數(shù)據(jù)幀的實(shí)際數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程幀時(shí)無效

2、CAN應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
英利公司提供的基于嵌入式Linux下的CAN操作API函數(shù)，為了方便用戶的使用，結(jié)合目前常用的一些方法，對(duì)于CAN接口接收的數(shù)據(jù)報(bào)文采用了以下結(jié)構(gòu)。

struct can_frame
{
canid_t can_id; /* 用于定義CAN報(bào)文ID以及 EFF/RTR/ERR等標(biāo)志 */
__u8 can_dlc; /* 用于定義can報(bào)文數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度0-8 */
__u8 data[8]； /* 用于定義can報(bào)文數(shù)據(jù) */
};

其中的can報(bào)文ID為一個(gè)32 bit大小的結(jié)構(gòu)，其中各個(gè)bit位定義如下：
typedef __u32 canid_t;
bit 0-28: CAN 報(bào)文的id(標(biāo)準(zhǔn)幀11bit/擴(kuò)展幀為29bit).
bit 29 : CAN報(bào)文錯(cuò)誤幀標(biāo)志(0 = data frame, 1 = error frame)
bit 30 : CAN報(bào)文遠(yuǎn)程幀標(biāo)志( 1 = rtr frame )
bit 31 : CAN報(bào)文幀格式標(biāo)志 (0 = 標(biāo)準(zhǔn)幀, 1 = 擴(kuò)展幀 )

在進(jìn)行CAN通訊時(shí)需要設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，包括波特率、選取的數(shù)據(jù)濾波方式等，其中對(duì)于濾波器的設(shè)置，在濾波器的作用下，只有當(dāng)接收?qǐng)?bào)文中的標(biāo)識(shí)位和驗(yàn)收濾波器預(yù)定義的位值相等時(shí)，CAN控制器才允許將收到的報(bào)文存入RXFIFO中。為了方便使用，在英利公司的API函數(shù)中采用了一個(gè)struct accept_filter用來設(shè)置相關(guān)驗(yàn)收濾波器的相關(guān)定義。

struct accept_filter
{
unsigned int accept_code; /* 用于定義CAN報(bào)文驗(yàn)收代碼位 32bit*/
unsigned int accept_mask; /* 用于定義CAN報(bào)文驗(yàn)收屏蔽位 32bit*/
unsigned char filter_mode; /* 用于定義CAN報(bào)文濾波模式 */
};

3、CAN通訊接口API函數(shù)
EM9260的系統(tǒng)內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)了CAN接口的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)CAN接口 open( ) / close() 、read( ) / write( )等函數(shù)操作。和在Linux下操作設(shè)備的方式和操作文件的方式一樣，調(diào)用open( )打開設(shè)備文件，再調(diào)用read( )、write( )對(duì)CAN接口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作。另外在此驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上，封裝了一套簡(jiǎn)單實(shí)用的API函數(shù)，以滿足對(duì)于CAN接口一些特殊參數(shù)設(shè)置的需要。各個(gè)函數(shù)的定義在can_api.h文件下，在該頭文件中對(duì)于各個(gè)API函數(shù)均有相應(yīng)的中文說明。

具體在進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)時(shí)，首先調(diào)用CAN接口的open( )函數(shù)打開CAN接口：
sprintf( portname, '/dev/em9x60_can%d', CanNo );
m_fd = open(portname, O_RDWR |O_NONBLOCK );

得到有效的文件描述符m_fd后，然后可調(diào)用can_api.h文件中定義的API函數(shù)對(duì)CAN接口進(jìn)行相應(yīng)的通訊參數(shù)設(shè)置：
CAN_StartChip( m_fd );
CAN_SetBaudRate( m_fd, baudrate );
CAN_SetGlobalAcceptanceFilter( m_fd, AcceptanceFilter );

再調(diào)用read( ) / write( ) 實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)的收發(fā)操作。

4、CAN通訊接口的數(shù)據(jù)收發(fā)應(yīng)用示例
在英利公司提供的CAN方案中，CAN通訊的數(shù)據(jù)收發(fā)均采用的中斷方式，驅(qū)動(dòng)程序中已自動(dòng)完成了數(shù)據(jù)的收發(fā)，以及內(nèi)部定義的CAN接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)的管理。對(duì)于用戶開發(fā)應(yīng)用程序來說，只需要調(diào)用英創(chuàng)公司提供的CAN通訊API函數(shù)中的收發(fā)函數(shù)即可。本小節(jié)主要介紹一個(gè)CAN通訊的綜合應(yīng)用示例程序。

app_cantest是一個(gè)支持CAN數(shù)據(jù)通訊的示例，該例程采用了面向?qū)ο蟮?a href="http://ttokpm.com/tags/C++/" target="_blank">C++編程，把CAN數(shù)據(jù)通訊作為一個(gè)對(duì)象進(jìn)行封裝，用戶調(diào)用該對(duì)象提供的接口函數(shù)即可方便地完成CAN數(shù)據(jù)通訊的操作。

// 定義CAN通訊類
class EM9X60_CAN
{
private:
// 通訊線程標(biāo)識(shí)符ID
pthread_t m_thread;
// CAN接收線程
static int ReceiveThreadFunc( void* lparam );
public:
EM9X60_CAN();
virtual ~EM9X60_CAN();
// 已打開的CAN文件描述符
int m_fd;
unsigned int m_canid;
can_frame rxmsg;
// 退出數(shù)據(jù)接收線程標(biāo)志
int m_ExitThreadFlag;
// 按照指定的參數(shù)打開CAN接口，并創(chuàng)建CAN接口接收線程
int OpenCAN( int CanNo, CAN_BAUDRATE baudrate, accept_filter*AcceptanceFilter );
// 關(guān)閉接口并釋放相關(guān)資源
int CloseCAN( );
// 初始化設(shè)置CAN數(shù)據(jù)包id信息
int InitCanIDInfo( struct CanIDInfo* pcanid );
// CAN接口寫數(shù)據(jù)
int WriteCAN( char* Buf, int len );
// CAN接收數(shù)據(jù)處理函數(shù)
virtual int PackagePro( char* Buf, int len );
};

OpenCAN 函數(shù)用于根據(jù)輸入?yún)?shù)打開CAN設(shè)備，并創(chuàng)建CAN數(shù)據(jù)接收線程。

res = pthread_create( &m_thread, &attr, (void*)&ReceiveThreadFunc, (void*)this );

ReceiveThreadFunc函數(shù)是CAN數(shù)據(jù)接收和處理的主要核心代碼，在該函數(shù)中調(diào)用select( )，等待串口數(shù)據(jù)的到來。對(duì)于接收到的數(shù)據(jù)處理也是在該函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，在本例程中處理為簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)回發(fā)，用戶可結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用修改此處代碼，修改PackagePro( )函數(shù)即可。流程如下：

int EM9X60_CAN::ReceiveThreadFunc(void* lparam)
{
EM9X60_CAN *pCAN = (EM9X60_CAN*)lparam;
int len;
// 定義讀事件集合
fd_set fdRead;
int ret;
struct timeval aTime;
while( 1 )
{
// 收到退出事件，結(jié)束線程
if( pCAN->m_ExitThreadFlag )
{
break;
}
FD_ZERO(&fdRead);
FD_SET(pCAN->m_fd,&fdRead);
aTime.tv_sec = 0;
aTime.tv_usec = 30000;
ret = select( pCAN->m_fd+1,&fdRead,NULL,NULL,&aTime );
if (ret < 0 )
{
pCAN->CloseCAN( );
break;
}
if (ret >= 0)
{
// 判斷是否讀事件
if (FD_ISSET(pCAN->m_fd,&fdRead))
{
len = read( pCAN->m_fd, (char*)&pCAN->rxmsg, sizeof(can_frame) );
while( len > 0 )
{
// 對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這里為簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)回發(fā)
pCAN->PackagePro( (char*)&pCAN->rxmsg, len );
// 處理完畢
len = read( pCAN->m_fd, (char*)&pCAN->rxmsg, sizeof(can_frame) );
}
}
}
}
printf( 'ReceiveThreadFunc finished\n' );
pthread_exit( NULL );
return 0;
}

需要注意的是，select( )函數(shù)中的時(shí)間參數(shù)在Linux下，每次都需要重新賦值，否則會(huì)自動(dòng)歸0。