EM9260嵌入式Linux工控板的CAN通讯方案解析

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，由于具有高性能、高可靠性以及简单的网络结构，在工业系统中越来越受到人们的重视，并迅速成为了目前国际上应用最广泛的现场总线之一。

英利嵌入式Linux工控主板EM9260是一款面向工业自动化领域的高性价比工控板，板上带有标准CAN通讯接口。与板上其他标准通讯接口一样，EM9260的CAN接口实现了相应的嵌入式Linux驱动程序，应用程序可以通过打开文件的进行读写的标准方式实现对CAN总线接口的数据通讯。本文侧重于介绍CAN通讯方案。

硬件组成

EM9260嵌入式Linux工控板的CAN均采用了PHILIPS半导体公司的SJA1000T CAN总线控制器，SJA1000是一款独立的控制器，主要用于汽车和一般工业环境中的控制器局域网络（CAN）芯片，它是PHILIPS半导体PCA82C200 CAN控制器（BasicCAN）的替代产品，而且它增加了一种新的工作模式（PeliCAN），这种模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B协议。

EM9260的CAN通讯接口可提供高达1Mbps的数据传输速率，当采用5Kbps的的数据传输速率时其通讯距离最高可达到10KM。硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力，这给数据的远程可靠传输提供了有利保证。

EM9260的CAN通讯接口根据用户的需要分为两种：一种带光电隔离，一种不带光电隔离。带光电隔离CAN总线通讯模块的CAN收发器端的所有信号和电源与其它部分完全隔离，可承受至少1Kv（有效值）的电压冲击。光电隔离的功能可在EM9260的应用底板上来实现，英利公司在EM9260评估底板上提供了相应的参考电路。

CAN驱动接口函数

1、CAN报文的帧格式简介
        在CAN2.0B中存在两种不同的帧格式，其主要的区别在于标识符的长度，具有11位标识符的帧称为标准帧，而包括有29位标识符的帧称为扩展帧。下面分别介绍数据帧的格式。

1、CAN2.0B标准帧
        CAN标准帧信息为11个字节，包括两部分：信息和数据部分。前3个字节为信息部分，如图所示：

注：1、字节1为帧信息。D7位表示帧格式，在标准帧中，FF=0；D6位表示帧的类型，RTR=0表示为数据帧，RTR=1表示为
                      远程帧，在一般的数据通讯中，只使用数据帧；DLC表示数据帧实际的数据长度
                2、字节2、字节3为报文识别码，11位有效
                3、字节4～字节11为数据帧的实际数据，远程帧时无效

2、CAN2.0B扩展帧
        CAN标准帧信息为13个字节，包括两部分：信息和数据部分。前5个字节为信息部分，如图所示：

注：1、字节1为帧信息。D7位表示帧格式，在扩展帧中，FF=1；D6位表示帧的类型，RTR=0表示为数据帧，RTR=1表示为
                      远程帧；DLC表示数据帧实际的数据长度
                2、字节2～字节5为报文识别码，29位有效
                3、字节6～字节13为数据帧的实际数据，远程帧时无效

2、CAN应用数据结构
        英利公司提供的基于嵌入式Linux下的CAN操作API函数，为了方便用户的使用，结合目前常用的一些方法，对于CAN接口接收的数据报文采用了以下结构。

struct can_frame
        {
                canid_t can_id; /* 用于定义CAN报文ID以及 EFF/RTR/ERR等标志 */
                __u8 can_dlc; /* 用于定义can报文数据包长度0-8 */
                __u8 data[8]； /* 用于定义can报文数据 */
        };

其中的can报文ID为一个32 bit大小的结构，其中各个bit位定义如下：
        typedef __u32 canid_t;
                bit 0-28: CAN 报文的id(标准帧11bit/扩展帧为29bit).
                bit 29 : CAN报文错误帧标志(0 = data frame, 1 = error frame)
                bit 30 : CAN报文远程帧标志( 1 = rtr frame )
                bit 31 : CAN报文帧格式标志 (0 = 标准帧, 1 = 扩展帧 )

在进行CAN通讯时需要设置相关的参数，包括波特率、选取的数据滤波方式等，其中对于滤波器的设置，在滤波器的作用下，只有当接收报文中的标识位和验收滤波器预定义的位值相等时，CAN控制器才允许将收到的报文存入RXFIFO中。为了方便使用，在英利公司的API函数中采用了一个struct accept_filter用来设置相关验收滤波器的相关定义。

struct accept_filter
        {
                unsigned int accept_code; /* 用于定义CAN报文验收代码位 32bit*/
                unsigned int accept_mask; /* 用于定义CAN报文验收屏蔽位 32bit*/
                unsigned char filter_mode; /* 用于定义CAN报文滤波模式 */
        };

3、CAN通讯接口API函数
        EM9260的系统内核中实现了CAN接口的驱动，实现CAN接口 open( ) / close() 、read( ) / write( )等函数操作。和在Linux下操作设备的方式和操作文件的方式一样，调用open( )打开设备文件，再调用read( )、write( )对CAN接口进行数据读写操作。另外在此驱动程序的基础上，封装了一套简单实用的API函数，以满足对于CAN接口一些特殊参数设置的需要。各个函数的定义在can_api.h文件下，在该头文件中对于各个API函数均有相应的中文说明。

具体在进行应用程序开发时，首先调用CAN接口的open( )函数打开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，然后可调用can_api.h文件中定义的API函数对CAN接口进行相应的通讯参数设置：
        CAN_StartChip( m_fd );
        CAN_SetBaudRate( m_fd, baudrate );
        CAN_SetGlobalAcceptanceFilter( m_fd, AcceptanceFilter );

再调用read( ) / write( ) 实现CAN数据的收发操作。

4、CAN通讯接口的数据收发应用示例
        在英利公司提供的CAN方案中，CAN通讯的数据收发均采用的中断方式，驱动程序中已自动完成了数据的收发，以及内部定义的CAN接收缓冲区和发送缓冲区的管理。对于用户开发应用程序来说，只需要调用英创公司提供的CAN通讯API函数中的收发函数即可。本小节主要介绍一个CAN通讯的综合应用示例程序。

app_cantest是一个支持CAN数据通讯的示例，该例程采用了面向对象的C++编程，把CAN数据通讯作为一个对象进行封装，用户调用该对象提供的接口函数即可方便地完成CAN数据通讯的操作。

// 定义CAN通讯类
        class EM9X60_CAN
        {
        private:
                // 通讯线程标识符ID
                pthread_t m_thread;
                // CAN接收线程
                static int ReceiveThreadFunc( void* lparam );
        public:
                EM9X60_CAN();
                virtual ~EM9X60_CAN();
                // 已打开的CAN文件描述符
                int m_fd;
                unsigned int m_canid;
                can_frame rxmsg;
                // 退出数据接收线程标志
                int m_ExitThreadFlag;
                // 按照指定的参数打开CAN接口，并创建CAN接口接收线程
                int OpenCAN( int CanNo, CAN_BAUDRATE baudrate, accept_filter *AcceptanceFilter );
                // 关闭接口并释放相关资源
                int CloseCAN( );
                // 初始化设置CAN数据包id信息
                int InitCanIDInfo( struct CanIDInfo* pcanid );
                // CAN接口写数据
                int WriteCAN( char* Buf, int len );
                // CAN接收数据处理函数
                virtual int PackagePro( char* Buf, int len );
        };

OpenCAN 函数用于根据输入参数打开CAN设备，并创建CAN数据接收线程。

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

ReceiveThreadFunc函数是CAN数据接收和处理的主要核心代码，在该函数中调用select( )，等待串口数据的到来。对于接收到的数据处理也是在该函数中实现，在本例程中处理为简单的数据回发，用户可结合实际的应用修改此处代码，修改PackagePro( )函数即可。流程如下：

int EM9X60_CAN::ReceiveThreadFunc(void* lparam)
        {
                EM9X60_CAN *pCAN = (EM9X60_CAN*)lparam;
                int len;
                // 定义读事件集合
                fd_set fdRead;
                int ret;
                struct timeval aTime;
                while( 1 )
                {
                        // 收到退出事件，结束线程
                        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)
                        {
                                // 判断是否读事件
                                if (FD_ISSET(pCAN->m_fd,&fdRead))
                                {
                                        len = read( pCAN->m_fd, (char*)&pCAN->rxmsg, sizeof(can_frame) );
                                        while( len > 0 ) 
                                        {
                                                // 对接收的数据进行处理，这里为简单的数据回发 
                                                pCAN->PackagePro( (char*)&pCAN->rxmsg, len );
                                                // 处理完毕
                                                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( )函数中的时间参数在Linux下，每次都需要重新赋值，否则会自动归0。