基于ＴＭＳ３２０ ＬＦ２４０７Ａ在ＣＡＮ總線上的應(yīng)用研究

摘 要：介紹了以DSP（TMS320F2407A）和收發(fā)器SN65HVD230D為主體所構(gòu)成的控制模塊在CAN總線上的應(yīng)用。詳細(xì)分析了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II在DSP中的移植，從而提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和軟件的運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：CAN總線;TMS320F2407A;接口技術(shù);uC/OS-II，嵌入式操作系統(tǒng) 

中圖分類(lèi)號(hào)：TP202文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3198（2008）04-0224-03

1 引言

CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN是一種多種方式的串行通訊總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出任何錯(cuò)誤。 由于CAN總線具有很高的實(shí)時(shí)性能，因此，CAN已經(jīng)在汽車(chē)工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

TMS320LF2407A是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的一種定點(diǎn)DSP芯片，它采用增強(qiáng)的C2xx CPU內(nèi)核結(jié)構(gòu)，代碼與24x系列的芯片兼容。與24X系列的DSP芯片相比，TMS320LF2407A采用3.3 V電源供電，功耗更低;CPU時(shí)鐘頻率可達(dá)40MHz，速度更快，EVM板可對(duì)LF2407代碼進(jìn)行全速檢查，其中有544個(gè)字長(zhǎng)的片上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、128K字長(zhǎng)的板上存儲(chǔ)器、片上只讀閃爍存儲(chǔ)器，片上UART和一個(gè)MP7680/A轉(zhuǎn)換器， 可分別尋址程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及I/O各 64位空間和兩個(gè)事件管理模塊 EVA和EVB，各有兩個(gè)16位的通用定時(shí)器。板上安裝的器件可使評(píng)估板解決各類(lèi)問(wèn)題，4個(gè)擴(kuò)展接口，可提供任何評(píng)估電路。TMS320LF2407A中含有一個(gè)支持CAN 2.0B協(xié)議的CAN控制器，支持標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展標(biāo)識(shí)襯;支持兩種信息幀格式，即數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀，可以自動(dòng)應(yīng)答遠(yuǎn)程幀的請(qǐng)求，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤或仲裁失敗時(shí)，具有自動(dòng)重發(fā)數(shù)據(jù)功能。本文主要介紹使用TMS320LF2407A進(jìn)行CAN通信時(shí)硬件和軟件方面的設(shè)計(jì)。

2 DSP功能介紹

本系統(tǒng)采用的TMS320LF2407A微處理器主要包括以下一些功能模塊:

(1)一個(gè)32位的中央算術(shù)邏輯單元(CALU)。

(2)一個(gè)32位的累加器(ACC)。

(3) CALU的輸入和輸出定標(biāo)移位器。

(4)一個(gè)乘積定標(biāo)移位器(PSCALE )。

(5)8個(gè)輔助寄存器(ARO-AR7 )。

(6)一個(gè)輔助寄存器算術(shù)單元(ARAU)，該模塊提供了靈活而強(qiáng)大的間接尋址能力。

(7)還有兩個(gè)狀態(tài)寄存器ST0和ST1，它們包含有決定處理器工作方式、頁(yè)地址指針值以及指示處理器不同條件和算術(shù)邏輯運(yùn)算結(jié)果的位。

(8)TMS320LF2407A的16X16位乘法器是由寄存器TREG， PREG和一個(gè)硬件乘法器構(gòu)成。其中TREG是臨時(shí)寄存器，在作乘法運(yùn)算時(shí)用來(lái)存儲(chǔ)一個(gè)乘數(shù)，而PREG則是結(jié)果寄存器，存儲(chǔ)乘法運(yùn)算所產(chǎn)生的結(jié)果。

(9)TMS320LF2407A具有8級(jí)硬件堆棧。當(dāng)子程序調(diào)用或中斷發(fā)生時(shí)，程序地址產(chǎn)生邏輯把堆棧用于存儲(chǔ)返回地址或其它的一些參數(shù)。當(dāng)子程序調(diào)用或中斷服務(wù)子程序完成時(shí)，返回指令將從堆棧頂返回地址或參數(shù)送到CPU寄存器中去。

3 CAN的接口

DSP芯片TMS320LF2407A中集成了一個(gè)CAN控制器，CAN接口線提供額外的高速竄行借口，其中有1個(gè)4針mini-DIN母接口，它可以用來(lái)連接CAN接口，接口管腳輸出如圖1； 管腳的定義如表1：

4 收發(fā)器的選擇

CAN總線以其較高的通訊速率、良好的抗電磁干擾能力可實(shí)現(xiàn)高可靠性串行通信，因而在實(shí)際應(yīng)用中具有極高的應(yīng)用價(jià)值。但是，隨著集成技術(shù)的不斷發(fā)展，為了節(jié)省功耗，縮小電路體積，一些新型CAN總線控制器的邏輯電路平均采用LVTTL，這就需要與之相適應(yīng)的總線收發(fā)器。文獻(xiàn)中介紹最多的CAN總線收發(fā)器是Philip公司生產(chǎn)的820250，它與CAN總線控制器SGA1000配合使用時(shí)非常方便，但由于它使用5V電源供電，而DSP芯片TMS320LF2407A采用3.3V電源供電，將兩者配合使用時(shí)，中問(wèn)要加電平轉(zhuǎn)換電路，為電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了不便。TI公司生產(chǎn)的SN65HVD230X型電路很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。它是采用3.3 V電源，有很高的輸入阻抗，總線上最多可連120個(gè)節(jié)點(diǎn)，ESD保護(hù)超過(guò)16KV， 溫度升高到一定值時(shí)，總線自動(dòng)關(guān)閉，節(jié)點(diǎn)上電或移去對(duì)總線上的其它節(jié)點(diǎn)沒(méi)有影明，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)兼容1S011898。我選取的即是SN65HVD230D，它的引腳排位及邏輯功能如圖2所示。

5 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文采用的是由Jean J.Labrosse編寫(xiě)的開(kāi)放式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II，主要是基于以下的考慮:(1)它的內(nèi)核是完全免費(fèi)的。用戶不需支付任何費(fèi)用，有利于降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本。(2)它的源代碼是公開(kāi)的，并且仍在不斷的升級(jí)，增加新功能。源代碼的開(kāi)放可以使得用戶根據(jù)實(shí)際要求對(duì)源代碼進(jìn)行取舍，去掉不必要的變量和不使用的函數(shù)，提高系統(tǒng)性能。另外，由于對(duì)系統(tǒng)內(nèi)核有源代碼級(jí)的了解，用戶可以添加自己的模塊，與原有系統(tǒng)內(nèi)核兼容，使得系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性。(3)系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高。從最老版本的uCOS，以及后來(lái)的uC/OS，到最新版本的uC/OS-II，該實(shí)時(shí)內(nèi)核已經(jīng)走過(guò)了近10年的歷程。10年來(lái)，世界上已有數(shù)千人在各個(gè)領(lǐng)域使用了該實(shí)時(shí)內(nèi)核，如醫(yī)療器械、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、自動(dòng)提款機(jī)、工業(yè)機(jī)器人等等。這些應(yīng)用的實(shí)踐是該內(nèi)核實(shí)用性、無(wú)誤性的最好證據(jù)。(4)操作系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)處理器以及ROM， RAM資源的要求不高，有利于在8位處理器上的移植。(5)它可以為嵌入式TCP/IP協(xié)議需要提供對(duì)多用戶的支持。

5.1 操作系統(tǒng)uC/OS-II在TMS320LF2407A的移植

雖然uC/OS-II大部分的代碼是用C語(yǔ)言寫(xiě)的，但仍需要用匯編語(yǔ)言寫(xiě)一些與處理器相關(guān)的代碼，這是因?yàn)閡C/OS-II在讀寫(xiě)處理器、寄存器時(shí)只能通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。 

5.2 移植工作介紹

uC/OS-II的移植工作主要就是修改C語(yǔ)言頭文件OS_CPU.H.C語(yǔ)言源文件OS_CPU-C.C和匯編語(yǔ)言文件OS_CPU_A.ASM。

①移植頭文件OS_CPU.H。

為了確保其可移植性u(píng)C/ OS- II不使用C語(yǔ)言中的short；int；long等與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類(lèi)型，而是定義了一系列可移植又很直觀的數(shù)據(jù)類(lèi)型如:INT8U，INT16S，INT328等這部分工作在C語(yǔ)言頭文件OS_CPU.H中實(shí)現(xiàn)。應(yīng)該指出的是，雖然在移植過(guò)程中將uC/ OS- II數(shù)據(jù)類(lèi)型BOOLEAN，INT8U，INT8S分別定義為unsigned char和signed char類(lèi)型，但是由于TMS320LF2407A內(nèi)核與數(shù)據(jù)總線寬度都是16bit，所以這幾種類(lèi)型的數(shù)據(jù)實(shí)際上都要占用一個(gè)16bit字的內(nèi)存。頭文件OS_CPL.H另一個(gè)主要內(nèi)容是定義用于臨界段代碼保護(hù)的兩個(gè)宏OS_INTER_CRITICAL()和OS EXITCRITICAL().

②移植匯編文件OS_CPU_A.ASM。

OS_CPU_A.ASM文件中包括有四個(gè)函數(shù)都涉及對(duì)寄存器的處理，其跟處理器有關(guān)，由于不同的處理器有不同的寄存器，所以操作系統(tǒng)在這個(gè)文件里給用戶留下四個(gè)函數(shù)接口，以便用戶根據(jù)所選處理器編寫(xiě)相應(yīng)的程序以完成固定的功能.四個(gè)函數(shù)分別是OSStartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntCtxSw()，OSTickISR()。

③OSStartHighRdy()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

OSStartHighRdy()函數(shù)是一個(gè)高優(yōu)先級(jí)就緒任務(wù)啟動(dòng)函數(shù)，主要是將任務(wù)棧中的保存值彈回到CPU寄存器中，然后執(zhí)行返回指令，中斷返回指令強(qiáng)制執(zhí)行該任務(wù)代碼，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)啟動(dòng)。 

④OSCTxSw()和OSIntCtxSw()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

OSCtxSw()和OSIntCtxSw()都是任務(wù)切換函數(shù)，不同的是后者為中斷級(jí)任務(wù)切換函數(shù)，由于后者是在ISR中被調(diào)用的，所以需要調(diào)整堆棧指針SP去掉在調(diào)用OSIntExit()，OSIntCtxSw()過(guò)程中壓入堆棧的多余內(nèi)容。它們的主要功能是將要掛起的任務(wù)的寄存器值保存起來(lái)，將要執(zhí)行的任務(wù)的寄存器的內(nèi)容恢復(fù)。

OSCtxSw()該函數(shù)完成的是任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換工作。其目的是為了保證處理器永遠(yuǎn)運(yùn)行就緒表中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，這跟OSStartHighRdy()類(lèi)似。然而，后者是由OSStart()調(diào)用的，只是執(zhí)行啟動(dòng)多任務(wù)的功能，而OSCTxSw()是在任務(wù)調(diào)度函數(shù)OSSched()通過(guò)宏定義OS TASKse SW()調(diào)用的，執(zhí)行的是多任務(wù)的調(diào)度功能:不僅要使得高優(yōu)先級(jí)任務(wù)得以恢復(fù)運(yùn)行，還得將待切換出去的任務(wù)保存起來(lái)，兩者的差別也可以從程序的處理過(guò)程比較出來(lái)。

⑤OSTickISR()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

OSTickISR()是用定時(shí)器1產(chǎn)生一個(gè)周期為25毫秒的時(shí)鐘源提供給uC/OS-II，這是uC/OS-II時(shí)間延遲和超時(shí)功能的時(shí)間基準(zhǔn)。OSTickISR()是該定時(shí)器周期中斷的中斷服務(wù)程序。它主要有兩個(gè)功能:一個(gè)是調(diào)用OSTimeTick()函數(shù)，計(jì)算自系統(tǒng)上電以來(lái)所經(jīng)歷的時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)，并將每個(gè)處延時(shí)等待狀態(tài)的任務(wù)的OSTCSDly項(xiàng)減1:另一個(gè)是調(diào)用。OSIntEXit()函數(shù)察看是否有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)因時(shí)鐘節(jié)拍到來(lái)而延遲時(shí)間并進(jìn)入就緒態(tài)，如果有則進(jìn)行中斷級(jí)的任務(wù)切換。另外，在該函數(shù)的入口處要將OSIntNesting加1;在出口處將OSIntNesting減1。

5.3 語(yǔ)言源文件OS_CPU_C.C文件的修改

UC/OS-II的移植需要修改該文件中的10個(gè)C函數(shù)OS-TaskStkInit; OSTaskCreateHook; OSTaskDeHIook;OS-TaskSwHook;OSTaskIdleHook;OSTaskStatHook;OS-TimeTickHook; OSInitHookhenin;OSInitHookEnd;OSTCBInitHook。其中只有函數(shù)OSTaskStkInit()修改是必要的，其它函數(shù)是為了方便用戶擴(kuò)展而設(shè)的，可以定義為空。OSTaskStklnit()用于系統(tǒng)創(chuàng)建用戶任務(wù)時(shí)，建立并初始化任務(wù)堆棧。該函數(shù)和處理器的硬件體系密切相關(guān)，它將所需的寄存器入棧，返回新堆棧的棧頂?shù)牡刂罚⑺鼈儽４嬖谠撊蝿?wù)的任務(wù)控制塊OS_TCB中，最終使初始化后的堆棧跟剛發(fā)生過(guò)一次中斷一樣。這樣，系統(tǒng)無(wú)需對(duì)調(diào)度程序作特殊的處理即可直接對(duì)新任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。

6 結(jié)論

CAN總線因具有通信方式靈活、實(shí)時(shí)性好、可靠性高，通信距離遠(yuǎn)、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于航空、航海、汽車(chē)以及各種工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng).而DSP芯片內(nèi)嵌了16通道的A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此凡是適用于CAN總線通信的研究， TMS320LF2407A基本上也都應(yīng)用.而且它的功能，比使用單片機(jī)的效率要高得多。在軟件設(shè)計(jì)上，采用了嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，從而為用戶提供良好的人機(jī)交互方式和較強(qiáng)的應(yīng)用程序接口，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和軟件的運(yùn)行效率，以嵌入式操作系統(tǒng)和DSP相結(jié)合的開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以滿足實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)的需求。以上系統(tǒng)已經(jīng)在長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)智能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際調(diào)試通過(guò)，并可跟據(jù)不同的需求作擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)

［1］陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用［J］.清華大學(xué)出版社，1999.

［2］劉和平.TMS320LF240X DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航人大學(xué)出版社，2002.

［3］遲瑞娟，曹正清.基于CAN總線的整車(chē)管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)［Ｎ］.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002， 7 (4):91-94.［4］鄰寬明．CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［Ｍ］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1996.

［5］Jean J.Labross-e著，邵貝貝等譯.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II(第2版)［M］.北京:北京航空航人人學(xué)出版社，2003.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。