1 前言
標定是指根據整車的各種性能要求(如動力性、經濟性、排放及輔助功能等)，來調整、優化和確定整車上各ECU(如發動機、AT等各子系統 ECU)控制參數的控制算法。標定系統主要是由上位機和底層ECU這二部分組成，因此，上位機和底層ECU的通信方式對整個標定系統的性能起到了至關重要的作用。目前，一般的標定系統都是采用基于串行口的點對點的通信方式，這種通信方式容易實現，但存在著通信速度較慢、可靠性較低等缺陷。這里我們采用的是CAN總線的通信方式，相對串口通信，基于CAN總線的通信方式具有通信可靠[1]、傳輸速度快、可實現在線編程等優點。
2 總體設計
CAN通信可視為系統的一個I/O字符流設備[3]，它在完成普通收發功能的同時，還要能實現驅動程序必備的設備無關性。即驅動程序應將系統所有的硬件特性封裝起來，為使用該設備的應用程序提供與硬件無關的、通用的編程接口，應用層程序編寫人員無需了解設備的原理，即可順利實現對設備的控制，通過該設備實現可靠的數據交換。另外，針對CAN通信和嵌入式系統的實時性要求，該驅動程序要求收發數據代碼可靠，延遲短，占用系統時間短，中斷執行時間短，關閉中斷時間短，并在收發錯誤和發生異常情況時，向應用程序匯報。另外，該驅動程序需要監控CAN控制器的工作狀態，在出現致命錯誤和脫離總線時，為CAN模塊復位，并向系統匯報。
圖1 驅動程序總體結構圖
基于以上需求分析，結合其他OS中實現I/O串行設備的驅動方案及CAN的總線要求特點，設計總體驅動程序結構如圖1。
3 CAN驅動模塊的實現
基于以上總體設計框架，首先定義一個CAN類來封裝CAN通信中的數據結構和函數，最下面一層為中斷級程序，中斷處理程序在每次CAN控制器完成收發時，喚醒驅動程序，進行下一步工作。在中斷處理程序中，根據不同的中斷向量來確定當前發生的是發送完成中斷還是接受完成中斷，并完成相應工作。中間一層為底層驅動程序，底層驅動程序主要是通過對CAN控制器寄存器的讀寫，完成對CAN端口的配置和狀態檢測等工作，同時為設備無關軟件和用戶程序提供接口。在這一層中，必須要建立一個環狀緩沖結構，該緩沖由一個接收環狀緩沖區和一個發送環狀緩沖區組成，其數據結構如下代碼所示，對于每個環狀緩沖區，設計了一個存入指針指向下一個待存入CANMsg的存入地址，一個讀出指針指向緩沖區下一個待取出的（最舊的）CANMsg的地址，一個計數器記錄目前緩沖區中有多少個CANMsg待取出，一個信號量，用于與應用程序交換消息。接收環狀緩沖區用于緩沖接收到的總線消息，等待應用程序處理，發送環狀緩沖區用于緩沖應用程序發送出的消息，等待發送中斷程序來處理。
typedef struct{ //環形緩沖區的數據結構
INT16U RingBufRxCtr; //接收計數器
OS_EVENT *RingBufRxSem; //信號量
CAN_msg *RingBufRxInPtr; //接收緩沖區的存入指針
CAN_msg *RingBufRxOutPtr; //接收緩沖區的讀出指針
CAN_msg RingBufRx[CAN_RX_BUF_SIZE]; //接收緩沖區的消息存儲
INT16U RingBufTxCtr; //發送計數器
OS_EVENT *RingBufTxSem;
CAN_msg *RingBufTxInPtr; //發送緩沖區的存入指針
CAN_msg *RingBufTxOutPtr; //發送緩沖區的讀出指針
CAN_msg RingBufTx[CAN_TX_BUF_SIZE]; //發送緩沖區的消息存儲
}CAN_RING_BUF;
3.1 底層驅動
底層驅動模塊為我們應用程序提供了接收和發送消息的接口函數。
圖2 CAN接收消息
當接收消息時[3]，如圖2所示，應用程序在信號量處等待；收到一個消息后，ISR從串行端口讀入消息，將其存入環型緩沖區。然后ISR發出信號量，通知在等待串口數據的任務已收到一個消息。等待任務收到信號量后，進入就緒狀態，準備被OS調度器激活。當內核調度該任務運行時，該任務從環狀緩沖區中取出消息，完成接收消息的過程。
void CAN_GetMsg(CAN_msg *msg){
INT8U oserr;
OS_CPU_SR cpu_sr;
CAN_RING_BUF *pbuf;
pbuf = &ringbuf;
OSSemPend(pbuf->RingBufRxSem,0,&oserr); //等待信號量
OS_ENTER_CRITICAL();//關中斷
pbuf->RingBufRxCtr--;//接收計數器減1
CopyMsg(pbuf->RingBufRxOutPtr++,msg); //從環形緩沖區中取出信號量
if(pbuf->RingBufRxOutPtr==&pbuf->RingBufRx[CAN_RX_BUF_SIZE]) {pbuf->RingBufRxOutPtr= &pbuf->RingBufRx[0];
//如果環形緩沖區的讀出指針達到緩沖區的最末端，將其改為指向緩沖區的首地址 }
OS_EXIT_CRITICAL(); //開中斷，允許CPU響應中斷 }
發送CAN消息與接受消息類似。后臺進程將欲發送的消息幀存儲于發送環狀緩沖區中。當CAN端口準備發送一幀消息時，產生一個中斷，CAN消息從緩沖區中取出，并由ISR輸出[4]。但其中出現了一個問題：CAN端口只能在發送上一個數據結束的時候才會產生一個中斷，這個產生中斷的時刻與我們需要執行中斷任務的時間是不一致的。解決這個問題的方法就是，禁止發送端中斷使能直到需要再發送消息為止。在系統啟動時，禁止發送中斷，發送一個啟動消息幀，這時發送完成中斷標志位已經被置位，但由于發送中斷使能位為低，所以無法發生中斷，系統繼續執行。當需發送第一個消息時，將該消息放入發送環狀緩沖區，然后運行發送中斷，這時，上一次發送消息完成中斷產生，發送該消息。在發送消息結束時，若發送環狀緩沖區中有其他數據需要發送，則清中斷源，等待該消息發送完成中斷產生，來發送下一個消息，若沒有其他數據需要被發送，則直接禁止發送中斷，將該消息發送完成時產生的中斷保留到下一次有消息需要發送時發生。
圖3 CAN發送消息
發送消息的方法如圖3。當發送環狀緩沖區已滿時，信號量作為指示，暫停發送任務。發送消息時，任務等待信號量。如果環狀緩沖區未滿，則任務繼續向環狀緩沖區存儲欲發送的消息。如果存儲的消息是緩沖區第一個字節，則發送中斷允許，中斷程序準備啟動。CAN發送ISR從環行緩沖區中取出最舊的消息，同時發送信號量，通知發送任務，表明環狀緩沖區有空間接收另外的消息，接著ISR將消息從發送到總線上。其實現代碼如下所示：
void CAN_PutMsg(CAN_msg *msg) {
INT8U oserr;
OS_CPU_SR cpu_sr;
CAN_RING_BUF *pbuf;
pbuf = &ringbuf;
OSSemPend(pbuf->RingBufTxSem, 0, &oserr); //等待信號量
OS_ENTER_CRITICAL();//關中斷
pbuf->RingBufTxCtr++; //發送計數器加1
CopyMsg(msg, pbuf->RingBufTxInPtr++); //將消息放入環形緩沖區
if(pbuf->RingBufTxInPtr==&pbuf->RingBufTx[CAN_TX_BUF_SIZE]) {pbuf->RingBufTxInPtr=&pbuf->RingBufTx[0];
}
if (pbuf->RingBufTxCtr==1) {
CAN_TxIntEn();//為環形緩沖區的第一則消息，開發送中斷
}
OS_EXIT_CRITICAL();
}
3.2 中斷服務程序
根據前面談到發送和接收消息的軟件結構，在CAN初始化時就要求CAN的接收中斷處入開啟狀態，而發送中斷僅僅是在發送緩沖區里面有了第一則消息后再開啟的，因此在這里設計兩個接口函數，CAN.TxIntEn()和CAN.TxIntDis()，分別將發送屏蔽位置1（允許發送完成中斷）和置0（禁止發送完成中斷）。
圖4 發送接收中斷程序流程圖
中斷級程序的核心就是CANRX_ISR()和CANTX_ISR()，它們由初始化時對該模塊的中斷設置寄存器設置的中斷級別。如圖4所示，若為接收完成中斷，則清除中斷源，將接收到的消息放入接收緩沖區；將該消息存入接收緩沖區存入指針所指向的地址，將該指針向下移動，接收緩沖區計數器加1，并發出信號量通知應用程序有新的消息已經接收到，若有任務正在等待CAN上的新消息，則該任務進入就緒狀態等待OS的調度。若為發送完成中斷，則將發送緩沖區的待發送消息讀出；將有待發送消息且優先級最高的一個中讀取最舊的消息（緩沖區取出指針所指向的消息），發送緩沖區計數器減1，發出信號量通知應用程序有一個消息被發出，并匯報當前發送緩沖區的狀態；還應判斷是否為最后一個待發送的消息，若不是，則清除中斷源并將消息發送到總線上，若是最后一個，則禁止發送完成中斷后發送該消息，將這個發送完成中斷保留到應用程序下一次發送消息的時候允許并產生。
3.3 應用
該驅動程序的應用，如下代碼所示，這里使用的是uCOS-II，首先定義一個CAN消息對象（msg）和一個環狀緩沖區數據結構（CANRingBuf），在主程序中，初始化OS以后調用Ringbuf_Init()函數初始化環形緩存區，然后調用CAN_Init()函數初始化CAN端口。在啟動OS后，用戶就可用在任何任務中調用CAN_PutMsg(CAN_msg *msg)和CAN_GetMsg(CAN_msg *msg)發送和接收總線消息了。
CAN_msg msg；
CAN_RING_BUF CANRingBuf;
void main(void) {
OSInit();
Ringbuf_Init();
CAN_Init();
/* Creat task1 */
OSStart(); }
void task1 (void * data)
{ CAN_PutMsg(&msg);
CAN_GettMsg(&msg);
}
4 結束語
通過改變芯片總線頻率、CAN通信速率這樣多次反復不斷的調試，此CAN驅動在實時操作系統上運行穩定可靠，未出現數據丟失，較好的實現了上位機與ECU的通信，因此，具有很強的實用價值。