基于μCOS-II的CAN通訊模塊設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)越來越復(fù)雜，功能越來越強(qiáng)大的今天，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)已經(jīng)成為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的主流。μCOS-II是一個(gè)開源嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Real Time Operating System, RTOS)，它已經(jīng)被成功移植到各種CPU上。但是基于μCOS-II的應(yīng)用軟件需要在移植操作系統(tǒng)后自行完成。模塊化的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)可以使得嵌入式設(shè)計(jì)變得更加方便，產(chǎn)品的開發(fā)更加迅速。S3C44B0是三星公司生產(chǎn)的一種ARM7芯片，性能強(qiáng)大，在通用嵌入式設(shè)計(jì)中運(yùn)用廣泛。CAN總線（Control Area Network）是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線，由于其高性能和高可靠性，CAN總線的應(yīng)用范圍廣布過程工業(yè)、機(jī)器人和機(jī)械工業(yè)等領(lǐng)域。論文將μCOS-II移植到S3C44B0上，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于μCOS-II的CAN通訊模塊，與傳統(tǒng)的前后臺(tái)形式的系統(tǒng)相比較，CAN總線在μCOS- II下運(yùn)行，實(shí)時(shí)性更容易得到保證，更容易進(jìn)行功能擴(kuò)展。

1 S3C44BO簡(jiǎn)介

S3C44B0是三星公司設(shè)計(jì)的16/32位RISC處理器，為手持設(shè)備等提供一個(gè)低成本高性能的方案。S3C44B0提供2.5V ARM7TDMI內(nèi)核，最高時(shí)鐘頻率66MHz，總線尋址空間達(dá)到256M，采用中斷矢量表來減少中斷延遲，提供30個(gè)中斷源，支持C語言編程和多任務(wù)處理，具有豐富的片內(nèi)資源：LCD控制器、2路UART、2路DMA、外部存儲(chǔ)器控制器、5路帶PWM輸出的定時(shí)器、看門狗、RTC、8路10bit ADC、IIC接口、IIS接口、SIO等等。

2 SJA1000和82C250簡(jiǎn)介

SJA1000是一種獨(dú)立CAN控制器，它是PHILIPS公司的PCA82C200 CAN控制器的替代產(chǎn)品。SJA1000具有BasiCCAN和PeliCAN兩種工作方式，PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN2.0B 協(xié)議。SJA1000同時(shí)支持11位和29位識(shí)別碼，位速率最快可達(dá)1Mbits/s,時(shí)鐘頻率最高為24MHz，支持PeliCAN模式的擴(kuò)展功能，如支持一些錯(cuò)誤分析功能，支持系統(tǒng)診斷、系統(tǒng)維護(hù)、系統(tǒng)優(yōu)化等。

82C250是PHILIPS公司生產(chǎn)的CAN總線收發(fā)器，提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和差動(dòng)接收功能，另外還具有電流限制電路，提供了對(duì)總線的進(jìn)一步保護(hù)功能。

3μCOS-II在S3C44B0上的移植

μCOS-II (micro-controller OS II)是一種開放式的操作系統(tǒng)內(nèi)核，它是專為微控制器系統(tǒng)和軟件開發(fā)而設(shè)計(jì)的占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)微內(nèi)核。μCOS-II是一個(gè)源碼公開、可移植、可固化、可剪裁、具可剝奪性、可確定性的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。它的絕大部分代碼是用ANSI C語言編寫的，只有和處理器相關(guān)的不到200行代碼是用匯編語言編寫，因此可移植性很好，比較容易移植到各種體系的CPU上面。本文中將μCOS-II移植到S3C44B0上面運(yùn)行，該移植工作主要是三個(gè)文件的修改工作：

改頭文件OS_CPU.H相關(guān)內(nèi)容，包括：數(shù)據(jù)類型定義、堆棧增長(zhǎng)方向、中斷相關(guān)的一些宏定義等。

在OS_CPU_C.C中編寫任務(wù)堆棧初始化函數(shù)及系統(tǒng)HOOK函數(shù)。

在OS_CPU_A.ASM中編寫四個(gè)匯編語言函數(shù)：OSSstartHighRdy()、OSCtxSw()、OSINTCtxSw()和OSTickISR()。

完成上述工作后，μCOS-II就可以運(yùn)行在S3C44B0處理器上了。

4 CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的軟硬件結(jié)構(gòu)

CAN總線是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通信方式靈活，采用非破壞性仲裁技術(shù)，通信采用短幀格式，從而可以形成低成本，高性能，實(shí)時(shí)性好的通訊系統(tǒng)。

4.1 CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)

用S3C44B0和SJA1000來實(shí)現(xiàn)CAN總線節(jié)點(diǎn)時(shí)，SJA1000采用地址數(shù)據(jù)復(fù)用的數(shù)據(jù)傳輸方式，而S3C44B0卻采用分開的地址總線與數(shù)據(jù)總線，因此，不能像51系列單片機(jī)和SJA-1000那樣直接相連，而必須另想辦法。將發(fā)送的地址和數(shù)據(jù)都從數(shù)據(jù)總線上發(fā)出，而用IO口和 nGCSx, nOE, nWE等信號(hào)來形成ALE信號(hào)和讀、寫、片選信號(hào)接到SJA1000，這樣就可以完成S3C44B0和SJA1000的連接，在硬件上形成CAN總線節(jié)點(diǎn)，同時(shí)為了保證信號(hào)不互相干擾，采用光耦6N137來進(jìn)行隔離。另外，S3C44B0的3.3V信號(hào)和SJA1000的5V信號(hào)之間需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

4.2 CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的軟件結(jié)構(gòu)

采用BasicCAN模式，RX和TX緩沖器各是10個(gè)字節(jié)長(zhǎng)，其中兩個(gè)ID字節(jié)和最多8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。其中ID字節(jié)1是8個(gè)ID位，ID字節(jié)2是3 個(gè)ID位，1個(gè)遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位和4個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼位。11位的ID能夠建立2032種報(bào)文類型，足夠普通應(yīng)用的需求。ID位的規(guī)定可根據(jù)實(shí)際需要自行定義。

發(fā)送報(bào)文時(shí)調(diào)用CAN發(fā)送函數(shù)U8 BCAN_DATA_WRITE(U8 *SendDataBuf)，其中*SendDataBuf指向要發(fā)的內(nèi)容。在這個(gè)函數(shù)里，將報(bào)文內(nèi)容按CAN接受緩沖器規(guī)定的格式填入，然后調(diào)用命令函數(shù)U8 BCAN_CMD_PRG(U8 cmd)，其中cmd參數(shù)決定命令類型，選用發(fā)送數(shù)據(jù)命令將報(bào)文發(fā)送出去。

接收?qǐng)?bào)文時(shí)調(diào)用CAN接收函數(shù)U8 BCAN_DATA_RECEIVE(U8 *RcvDataBuf)，其中*RcvDataBuf是報(bào)文的存儲(chǔ)地址。在這個(gè)函數(shù)里，讀取接收緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)，并存到指定的位置。

這兩個(gè)函數(shù)只是發(fā)送與接收函數(shù)，具體的發(fā)送和接收需要建立相應(yīng)的任務(wù)或中斷，并調(diào)用這兩個(gè)函數(shù)來完成。其中發(fā)送采用主動(dòng)方式，當(dāng)發(fā)送任務(wù)接到啟動(dòng)發(fā)送的指令后調(diào)用CAN發(fā)送函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，接收采用中斷方式，CAN中斷的優(yōu)先級(jí)高于時(shí)鐘中斷和其他任務(wù)。

節(jié)點(diǎn)通信流程圖如圖2所示：

5 基于μCOS-II的CAN總線通訊程序模塊的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的前后臺(tái)方式設(shè)計(jì)的單片機(jī)程序是一個(gè)無限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)函數(shù)來完成相應(yīng)操作是其后臺(tái)行為，而中斷服務(wù)程序處

理異步事件是其前臺(tái)行為。μCOS-II是一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，是一個(gè)基于占先式內(nèi)核的多任務(wù)調(diào)度平臺(tái)。作為一個(gè)模塊的CAN總線程序，在嵌入 μCOS-II之中，相對(duì)于前后臺(tái)方式而言，CPU的運(yùn)行時(shí)間被μCOS-II依據(jù)調(diào)度算法按照不同的優(yōu)先級(jí)分配給不同的任務(wù)模塊，各個(gè)任務(wù)程序在自己的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)訪問CPU，這樣CAN總線的實(shí)時(shí)性更容易得到保證，同時(shí)各任務(wù)相對(duì)獨(dú)立，相互影響小，也便于對(duì)程序的調(diào)試，更重要的是如果要實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的通訊協(xié)議時(shí)不用改變?cè)械某绦蚪Y(jié)構(gòu)，只需增加擴(kuò)展部分的程序就可以進(jìn)行功能擴(kuò)展。

本文中CAN總線如上所述采用主動(dòng)方式發(fā)送和采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，CAN中斷優(yōu)先級(jí)高于其他任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。本文中數(shù)據(jù)發(fā)送建立一個(gè)獨(dú)立任務(wù)，它擁有自己的堆?？臻g，可以被其他的任務(wù)和中斷服務(wù)子程序掛起或刪除。這個(gè)任務(wù)分配128個(gè)OS_STK的堆?？臻g，在μCOS-II中OS_STK被定義為一個(gè)字長(zhǎng)。

系統(tǒng)建立了兩個(gè)任務(wù)(不包括統(tǒng)計(jì)和空閑任務(wù))：起始任務(wù)Main_Task和發(fā)送任務(wù)CANSENDDATA_Task，優(yōu)先級(jí)分別為10，12。在CAN控制器初始化和OS初始化后，建立起始任務(wù)Main_Task，OS開始運(yùn)行，進(jìn)入起始任務(wù)Main_Task，起始任務(wù)啟動(dòng)時(shí)間節(jié)拍，并創(chuàng)建發(fā)送任務(wù)，然后進(jìn)入掛起。發(fā)送任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行態(tài)，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)完成后，發(fā)送任務(wù)掛起。

兩個(gè)任務(wù)在各自的延時(shí)結(jié)束后按照優(yōu)先級(jí)先后進(jìn)入運(yùn)行態(tài)，若都在掛起狀態(tài)則系統(tǒng)的空閑任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行。此過程中如果有接收中斷發(fā)生，則中斷服務(wù)將掛起正在運(yùn)行的任務(wù)，并調(diào)用CAN數(shù)據(jù)接收函數(shù)，完成數(shù)據(jù)的接收，當(dāng)此過程結(jié)束后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，繼續(xù)進(jìn)行高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。圖3是CAN通信模塊在μCOS-II中運(yùn)行的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：

本文利用上述思想所設(shè)計(jì)的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)與ZLG USBCAN-1型CAN總線開發(fā)設(shè)備互相通信正常，從圖4可以看到數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的順利進(jìn)行。

結(jié)束語

在S3C44B0上運(yùn)行的μCOS-II中實(shí)現(xiàn)CAN總線智能節(jié)點(diǎn)，能夠克服傳統(tǒng)前后臺(tái)編程方法的弊端，并且提供模塊化、可移植性好、高實(shí)時(shí)性、易擴(kuò)展的通信模塊，能夠大大減少產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：

一： 建立了S3C44B0和SJA1000的連接，使這兩種常用芯片得以配合使用。

二： 建立起基于S3C44B0和μCOS-II的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)模塊，為以后在μCOS-II操作系統(tǒng)中的CAN總線應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)
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