基于ARM LPC2292 的CAN總線和以太網(wǎng)間的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

　　3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　嵌入式網(wǎng)關(guān)的功能主要是進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文和CAN 數(shù)據(jù)幀之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和CAN 總線的互連；其次是根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，通過(guò)人機(jī)交互接口改變網(wǎng)關(guān)的IP 地址和CAN 總線的波特率。整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3 所示。在進(jìn)行任務(wù)設(shè)計(jì)之前的前期工作有：

　?、?實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植。μC/OS-II 可以在絕大多數(shù)8 位、16 位、32 位、以至64 位微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）上運(yùn)行。μC/OS-II 在LPC2292 上的移植可參考文獻(xiàn)[1]。

　?、?TCP/IP 協(xié)議和CAN 協(xié)議的嵌入。由于μC/OS-II 操作系統(tǒng)只包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間的通信同步（信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列）和內(nèi)存管理等功能，所以用戶必須根據(jù)自己的需要添加一些功能模塊。網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)將TCP/IP 和CAN 協(xié)議嵌入到操作系統(tǒng)中，并提供一些API 接口函數(shù)供用戶調(diào)用。

　　3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　采用RTOS 使整個(gè)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且易調(diào)試，各個(gè)任務(wù)相互獨(dú)立，而且各個(gè)任務(wù)具有不同的優(yōu)先級(jí)可以保證緊急任務(wù)及時(shí)響應(yīng)，從而能有效地對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由操作系統(tǒng)和一系列用戶應(yīng)用程序構(gòu)成。 主函數(shù)是程序首先執(zhí)行的一個(gè)函數(shù)。該函數(shù)永遠(yuǎn)不返回，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件（包括中斷、鍵盤、顯示等）和操作系統(tǒng)（包括任務(wù)控制塊、事件控制塊）的初始化，而且在啟動(dòng)多任務(wù)調(diào)度之前，必須至少創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)。在本系統(tǒng)中創(chuàng)建了一個(gè)啟動(dòng)任務(wù)，主要負(fù)責(zé)時(shí)鐘的初始化和啟動(dòng)、中斷的啟動(dòng)、CAN 控制器的初始化與啟動(dòng)、端口與IP 地址的初始化和RTL8019 的初始化與啟動(dòng)，并且對(duì)各個(gè)應(yīng)用任務(wù)進(jìn)行了劃分。在交出CPU 的使用權(quán)之后自做一些空閑處理。

　　3.3.1 任務(wù)的劃分

　　要完成多任務(wù)系統(tǒng)的各種功能必須對(duì)任務(wù)進(jìn)行劃分。本程序根據(jù)各個(gè)任務(wù)的重要性和實(shí)時(shí)性，把整個(gè)模塊分成7 個(gè)具有不同優(yōu)先級(jí)的應(yīng)用任務(wù)：系統(tǒng)監(jiān)控、CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送、鍵盤掃描、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送、協(xié)議轉(zhuǎn)換、LED顯示、系統(tǒng)配置等。表1 所示為任務(wù)劃分表。

表1 任物劃分表

除了7 個(gè)主要應(yīng)用任務(wù)之外，還有兩個(gè)中斷服務(wù)子程序：一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍中斷，提供周期性信號(hào)源；另一個(gè)接收中斷，把接收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)。

　　3.1.2 任務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)任務(wù)劃分后，各任務(wù)具有獨(dú)立的堆?？臻g，彼此爭(zhēng)奪CPU 的使用權(quán)。一旦獲得CPU 的使用權(quán)，就會(huì)獨(dú)立運(yùn)行而完成特定的功能。

　　CAN 總線通信模塊包括數(shù)據(jù)傳輸和總線管理兩個(gè)部分。數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)的功能有CAN 初始化、CAN 報(bào)文發(fā)送和CAN 報(bào)文接收。CAN 初始化及報(bào)文的接收在啟動(dòng)任務(wù)與中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)，CAN 報(bào)文發(fā)送和總線管理作為一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)獨(dú)立運(yùn)行?？偩€管理功能塊實(shí)現(xiàn)的主要是總線檢測(cè)，判斷一路總線是否良好。如果不是，就進(jìn)入另一路總線檢測(cè)；如果冗余總線良好，就采用冗余總線通信。CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)需要系統(tǒng)調(diào)度器通知是否有待發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)入發(fā)送隊(duì)列，任務(wù)的實(shí)現(xiàn)如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)實(shí)現(xiàn)圖

　　以太網(wǎng)通信模塊由以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)功能塊和數(shù)據(jù)協(xié)議管理功能塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)的收發(fā)功能塊主要實(shí)現(xiàn)RTL8019 的初始化、數(shù)據(jù)報(bào)文的發(fā)送與接收。同理，RTL8019 的初始化在系統(tǒng)的啟動(dòng)任務(wù)中實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)的接收在RTL8019 的中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)協(xié)議管理主要實(shí)現(xiàn)對(duì)接收數(shù)據(jù)報(bào)文的解析，以及給待發(fā)送數(shù)據(jù)添加協(xié)議報(bào)頭。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送與協(xié)議管理分別作為獨(dú)立任務(wù)運(yùn)行。

　　以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)同樣需要系統(tǒng)調(diào)度器通知發(fā)送隊(duì)列中是否有待發(fā)送的數(shù)據(jù)。若沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送，則將 該任務(wù)掛起，系統(tǒng)運(yùn)行其他任務(wù)。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)通過(guò)對(duì)RTL8019 的操作完成，根據(jù)RTL8019 的狀態(tài)，將發(fā)送隊(duì)列中數(shù)據(jù)通過(guò)DMA 傳送到8019 的發(fā)送緩沖區(qū)啟動(dòng)發(fā)送，并根據(jù)發(fā)送結(jié)果，對(duì)發(fā)送隊(duì)列指針進(jìn)行調(diào)整。

　　以太網(wǎng)協(xié)議管理即協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)在用戶數(shù)據(jù)與8019 驅(qū)動(dòng)需要的數(shù)據(jù)報(bào)文之間進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。TCP/IP 協(xié)議為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層等4 層模型，每層具有不同的功能，并對(duì)應(yīng)相應(yīng)的子協(xié)議，而且層與層之間在邏輯上是相互獨(dú)立的。在編程時(shí)，可以直接調(diào)用嵌入的TCP/IP 協(xié)議的API 函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行分層。該任務(wù)對(duì)從8019 傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)處理示意圖如圖5 所示。不同的子協(xié)議具有不同的功能號(hào)，任務(wù)根據(jù)功能號(hào)對(duì)協(xié)議進(jìn)行區(qū)別。把用戶數(shù)據(jù)傳遞給8019 驅(qū)動(dòng)的示意圖是圖5 的逆序表示。

圖5 協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)的數(shù)據(jù)處理的示意圖

　　3.3.3 任務(wù)間的同步與調(diào)度

　　通常多任務(wù)操作系統(tǒng)的任務(wù)不同于一般的函數(shù)，它是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，而且沒(méi)有返回值。如果沒(méi)有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，當(dāng)前任務(wù)是不會(huì)放棄對(duì)CPU 的使用權(quán)的。為了實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行和有關(guān)事件的同步，必須正確處理任務(wù)間的通信和事件標(biāo)志的設(shè)置。整個(gè)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

　　各個(gè)任務(wù)具有不同的優(yōu)先級(jí)，通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)掛起函數(shù)或延時(shí)函數(shù)可以啟動(dòng)具有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)。高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，例如1、2、3、4 號(hào)任務(wù)，往往由于申請(qǐng)某個(gè)資源而發(fā)生阻塞，進(jìn)入掛起態(tài)。系統(tǒng)調(diào)度器啟動(dòng)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，通過(guò)對(duì)延時(shí)參數(shù)的設(shè)置，每隔一定時(shí)鐘節(jié)拍就啟動(dòng)鍵盤掃描或LED 顯示任務(wù)。如果其中有任何一事件發(fā)生就啟動(dòng)相關(guān)的任務(wù)，這個(gè)過(guò)程通過(guò)信號(hào)量的通信機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)每一個(gè)事件分配一個(gè)信號(hào)量，一旦事件發(fā)生就啟動(dòng)信號(hào)量的等待任務(wù)列表中進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)，從而保證任務(wù)與事件的同步。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　在嵌入式硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，用μC/OS-II 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序有其獨(dú)到之處，用戶可以直接利用系統(tǒng)的接口函數(shù)編寫(xiě)自己的應(yīng)用程序，毋需另行開(kāi)發(fā)，大大方便了用戶編程，縮短了軟件的開(kāi)發(fā)周期，提高了開(kāi)發(fā)效率；基于ARM LPC2292 CAN 總線和以太網(wǎng)間的網(wǎng)關(guān)，在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中運(yùn)行狀況良好，工作穩(wěn)定。