基于GT2440和Linux的CAN總線驅動開發設計

1.引言

由于CAN總線的高性能和可靠性，所以被廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面。而目前多數嵌入式處理器都不帶CAN總線控制器，本文基于深圳恒天智信科技公司的GT2440開發板和MSG-3CM型CAN總線模塊開發板，在linux操作系統環境下，詳細介紹了開發CAN總線設備驅動程序的方法與過程。

2.硬件部分

2.1 GT2440嵌入式開發系統

GT2440是一款具有極高性價比的嵌入式開發系統，CPU處理器采用Samsung S3C2440A，主頻400MHz；板載64M SDRAM、256M Nand Flash、2 M Nor Flash；板載5線異步串行口(UART0)、10M以太網RJ-45接口、USB HOST接口、USB Slave B型接口和一個SD卡存儲接口；集成了4線電阻式觸摸屏接口和JTAG接口等。

2.2 S3C2440A處理器

S3C2440A是由三星公司推出的16/32位RISC微處理器，最高主頻可達533MHz，處理器內部集成SDRAM控制器、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART、I2C總線接口、I2S音頻編解碼器接口、SD接口、2路SPI接口、8通道10位A/D控制器和camera接口等。

2.3 CAN總線模塊

CAN通信電路主要由CAN控制器和CAN收發器組成，本文采用的是MSG-3CM型CAN總線模塊開發板，其原理圖如圖1所示。圖中13～16引腳連著CPU，其余的除了INT和中斷相關之外，都連著TJA1050收發器。

MSG-3CM型CAN總線模塊開發板的控制芯片是MICROCHIP公司的MCP2515[1]，MCP2515是Microchip Technology Inc.(美國微芯科技有限公司)生產的一款控制局域網絡(CAN)協議的控制器，完全支持CAN總線V2.0A/B技術規范；能夠發送和接收標準和擴展報文。它還同時具備驗收過濾以及報文管理功能；該器件包含三個發送緩沖器和兩個接收緩沖器。其與GT2440開發板的通訊是通過行業標準串行外設接口(SPI)來實現的，其數據傳輸速率高達5Mb/s。

TJA1050作為CAN總線收發器芯片，提供了CAN控制器與物理總線之間的接口，有對CAN總線的差動發送和接受功能[2]。當CAN控制器要從TJA1050接受一個數據時，首先RXnBF信號必須有效(為低電平)，然后TJA1050收發器將數據通過RXCAN引腳傳入到對應的第n+1個緩沖區；同理，當CAN控制器要發送數據給TJA1050時，TXnRTS信號必須有效(為低電平)，然后控制器將第n+1個緩沖區的數據通過TXCAN引腳傳入到收發器TJA1050。

3.CAN總線驅動程序設計

3.1 搭建嵌入式Linux系統開發環境

搭建開發環境的過程為：

(1)在Win7系統下安裝虛擬機vmware6.0，在虛擬機里安裝RHEL5操作系統。在RHEL5操作系統下用交叉編譯工具編譯開發板所需的鏡像和文件，使用Samba服務器實現了Win7和RHEL5的文件共享，在Win7系統下可以通過串口或USB直接下載鏡像和文件到GT2440開發板上。

(2)由于win7系統不帶超級終端，所以串口終端使用的是SecureCRT5.5軟件，SecureCRT是一款支持SSH（SSH1和SSH2）的終端仿真程序，同時支持Telnet和rlogin協議，SecureCRT是一款用于連接運行包括Windows、UNIX和VMS的遠程系統的理想工具。筆記本電腦和開發板之間使用USB轉串口線連接，這樣就可以在筆記本電腦上對開發板進行開發操作。

3.2 Linux內核的移植

本設計使用的bootloader是深圳恒天智信科技公司自己開發的u-boot，用J-LINK V8仿真器連接好開發板和筆記本電腦，打開j-flash進行相關的配置，然后將u-boot燒寫進NOR Flash，然后重啟就可以在secureCRT串口終端打印出u-boot相關信息，根據提示就可以進行下載操作了。從官方網站上下載Linux2.6.38內核源代碼，通過Samba服務器將源代碼復制到RHEL5操作系統共享目錄下，使用tar命令解壓到/opt目錄。在/opt/linux-2.6.38.6/目錄下使用交叉編譯工具對內核進行修改、配置和編譯。在移植CAN總線驅動之前，需要移植板載256M NAND Flash的驅動、yaffs2文件系統等。

3.3 CAN總線驅動程序

Linux系統設備[3]分為三種基本類型：字符設備、塊設備、網絡設備。CAN總線屬于字符設備，是個能夠像字節流（類似文件）一樣被訪問的設備。在Linux系統中，以文件名的形式在/dev目錄下建立CAN總線設備文件，應用程序可以通過系統調用函數open（）打開此文件，建立起與設備的連接，然后通過函數read（）、write（）、release（）、ioctl（）等函數調用對目標設備進行操作。內核是通過主設備號將設備驅動程序和設備文件相連的，而構成驅動程序的一個重要數據結構就是file_operations，內核就是通過這個結構來訪問驅動程序的。file_operations中的成員為一系列指向各操作函數的指針，這些操作函數主要負責系統調用的實現，不同類型的設備文件系統有不同類型file_operations結構。

CAN總線的file_operations結構[4]定義為：

圖1 MSG-3CM型CAN總線模塊開發板原理圖

根據CAN通信協議和系統應用的需要，在驅動程序中定義了CanData的數據結構以傳輸數據，結構如下：

根據需要定義一個Mcp2515_DEV的數據結構，用于記錄接收緩沖區運行的各種狀態：

定義并初始化完成file_operations結構后，必須定義一個初始化函數，在這里定義了一個名為GT2440_MCP2515_init()的函數，主要完成的工作有：

（1）軟件復位，進入配置模式，設置CAN總線波特率，清空接收和發送緩沖區，切換MCP2515到正常狀態，聲明CAN的數據格式等。

（2）注冊設備。注冊設備所使用的函數原型是：int register_chrdev(unsigned int major，const char*name，struct file_operations *fops)其中major是主設備號，name是設備名稱，fops就是內核訪問設備的接口。

（3）注冊設備使用的中斷。因為中斷信號往往是通過特定的中斷信號線傳輸的，任何一款芯片留給中斷信號的接口都是有限的，所以內核會維護一個中斷信號線注冊表，模塊要使用中斷就得向它申請一個中斷通道，當它使用完該通道之后要釋放該通道。這里使用的就是函數request_irq(MCP2515_IRQ，s3c2440_isr_mcp2515，SA_INTERRUPT，DEVICE_NAME，s3c2440_isr_mcp2515)。

對驅動程序的編譯添加一般有兩種方式：靜態編譯進內核和模塊方式。為了便于調試，本文選擇模塊方式，首先將驅動程序復制到/linux-2.6.38.6/drivers/char中，然后經過相關配置后，使用insmod工具將編譯好的模塊加載到內核中，然后編寫CAN總線測試程序，經過交叉編譯后將測試程序下載到GT2440開發板中，最后在SecureCRT終端運行測試程序，驗證了方案的可行性。

4.結束語

本文介紹了在GT2440和linux平臺下擴展CAN總線控制器的具體方法，同時詳細給出了開發CAN總線驅動程序的過程。隨著嵌入式系統的發展，CAN通信設備與嵌入式系統的實際應用結合會越來越廣泛。

[1]Microchip.帶有SPI接口的獨立CAN控制器[M].Microchip,2005.

[2]饒運濤.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[3]宋寶華.linux設備驅動開發詳解[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[4]佟鳴宇,彭開香.基于ARM芯片的CAN總線接口設計與實現[J].計算機工程與設計,2009,30(7):1574-1576.