基于MCP2515的Linux CAN总线驱动程序设计（一）

maxc1017

1.前言
CAN(Controller Area Network)总线，即控制器局域网总线，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。由于其高性能、高可靠性、及独特的设计和适宜的价格而广泛应用于工业现场控制、智能楼宇、医疗器械、交通工具以及传感器等领域，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN总线规范已经被国际标准化组织制订为国际标准ISO11898，并得到了众多半导体器件厂商的支持。
本文使用华清远见FS2416平台。FS2416使用Socket网络设备驱动和字符设备驱动两种方式向Linux内核提供MCP2515的驱动，本文详细介绍了使用Socket方式设计的基于MCP2515的Linux CAN总线驱动程序。
2.FS2416简介

图1 FS2416开发板

FS2416采用的是三星公司的ARM926EJ内核CPU S3C2416，无论从性能上，还是成本上, S3C2416都强于2440，是2440的最完美替代者。
作为32/16 bit RISC指令集、低成本、低功耗、高性能的微处理器。S3C2416使用了65nm的制作工艺从而降低成本、功耗及提高性能，其使用的ARM926EJ的核心，集成了2D图形加速，添加了低功耗模式，支持内部ROM/RAM引导，支持moviNand启动和低功耗音频编解码。此外相对于其他ARM9芯片，它的外设也得到了升级，有更多的资源。

图2 FS2416板级资源介绍

3.MCP2515简介
MCP2515是一种独立的CAN总线通信控制器，是Microchip公司首批独立CAN解决方案的升级器件，其传输能力较Microchip公司原有CAN控制器（MCP2510）高两倍，最高通信速率可达到1Mbps。MCP2515能够接收和发送标准数据帧和扩展数据帧以及远程帧，通过两个接收屏蔽寄存器和六个接收过滤寄存器滤除无关报文，从而减轻CPU负担。
MCP2515主要功能参数及电气特性如下：
      （1）支持CAN技术规范2.0A/B, 最高传输速率达到1Mbps；
      （2）支持标准数据帧、扩展数据帧和远程帧，每帧数据域长度可为0~8个字节；
      （3）内含两个的接收缓冲器和三个发送缓冲器，并且可编程设定优先级；
      （4）内含六个29位（bit）的接收过滤寄存器和两个29位（bit）的接收屏蔽寄存器；
      （5）高速SPI接口，支持SPI 0,0和1,1模式；
      （6）一次性模式可确保报文被一次性传输；
      （7）具有可编程时钟脉冲输出引脚，可作为其他芯片时钟信号源；
      （8） 帧起始（SOF）信号输出功能可被用于在确定的系统中（如时间触发CAN-TTCAN）执行时隙功能，或在CAN总线诊断中决定早期总线出级；
      （9） 采用低功耗CMOS技术，工作电压：2.7V~5.5V, 工作电流：5mA（待机状态1μA）；
      （10）工作温度范围：（I）-40℃到＋85℃，（E）-40℃到＋125℃。
4.硬件设计
MCP2515与S3C2416的硬件连接图如图3所示。如硬件原理图可知MCP2515芯片连接在S3C2416芯片的SPI0上，中断接在GPF1上；MCP2515输出连接SN65HVD230 CAN总线收发器，SN65HVD230是德州仪器公司生产的3.3V CAN收发器。为了节省功耗，缩小电路体积，MCP2515 CAN总线控制器的逻辑电平采用LVTTL，SN65HVD230就是与其配套的收发器。

图3 MCP2515硬件连接图

5.MCP2515 Socket CAN驱动实现
FS2416平台使用Linux2.6.39的内核，内核中为MCP2515提供了Socket CAN驱动程序，我们只需为MCP2515芯片配置内核选项就可以使用Socket编程的方式使用MCP2515 CAN总线。
5.1Socket CAN介绍
Socket CAN是在Linux下CAN协议实现的一种实现方法。Linux下最早使用CAN的方法是基于字符设备来实现的，与之不同的是Socket CAN使用伯克利的Socket接口和Linux网络协议栈，这种方法使得CAN设备驱动可以通过网络接口来调用。Socket CAN的接口被设计的尽量接近TCP/IP的协议，让那些熟悉网络编程的程序员能够比较容易的学习和使用。
5.2向Linux内核注册MCP2515驱动
向Linux内核添加SPI驱动在之前的文章已经有详细的介绍，根据硬件原理图图3所示，MCP2515挂在SPI0上，使用中断GPF1，所以要向Linux内核注册MCP2515设备，注册代码如图4所示。

图4 MCP2515 SPI 注册代码

注册完成，执行make menuconfig配置内核选项。
1   

Networking support->
        2    CAN bus subsystem support->
        3    Raw CAN Protocal
        4    Broadcast Manage CAN Protocal
        5    CAN Device Drivers->
        6    Platform CAN driver with Netlink support
        7   

CAN bit-timing calculation
        8    Microchip MCP251x SPI CAN controllers
        9
        10    Device drivers->
        11   

SPI support ->
        12     Samsung S3C2416 series type SPI
编译内核，内核启动如图5显示即说明MCP2515驱动加载成功。

图 5 内核加载提示

6.Socket CAN测试
因为最新版BusyBox对Socket CAN的不支持，所以为了测试和使用Socket CAN，我们需要自己编译Socket CAN的工具。这里介绍两个工具，分别是iproute2 和 canutils。
6.1iproute2
（1）下载iproute2的最新源码http://www.kernel.org/pub/linux/utils/net/iproute2/ 。笔者下载的是iproute2 3.6.0。
（2）解压iproute2-3.6.0.tar.xz，修改Makefile第33行。
        33 #CC = gcc
        34 CC = arm-none-linux-gnueabi-gcc
（3）因为我们只需要iprout2的ip命令，所以修改Makefile的第42行。
        42 #SUBDIRS=lib ip tc bridge misc netem genl man
        43 SUBDIRS=lib ip
（4）修改完成执行make命令，生成ip命令，拷贝到开发板文件系统目录。
（5）使用ip命令。
        ifconfig can0 down         //关闭can0，以便配置
        ./ip link set can0 up type can bitrate 250000        //设置can0波特率
        ./ip -details link show can0        //显示can0信息

图6 iproute 使用简介

6.2canutils
Canutils是基于GNU GPLv2许可的开源代码，包括canconfig、canecho、cansend、candump、cansequence五个工具，用于检测和监控Socket CAN接口。
（1）下载canutils的最新源码http://www.pengutronix.de/software/socket-can/download/canutils 。笔者下载的是canutils 4.0.6。
        （2）因为canutils编译需要libsocketcan库的支持，需要下载libsocketcan。http://www.pengutronix.de/software/libsocketcan/download/ 笔者下载的是libsocketcan 0.0.9。
        （3）解压libsocketcan-0.0.9.tar.bz2。执行configure命令。（其中--host是指定交叉工具链，--prefix是指定库的生成位置）
        ./configure --host=arm-none-linux-gnueabi --prefix=/home/linux/workdir/can/tools/libsocketcan
        （4）执行make编译库；
        （5）执行make install 生成库。至此，libsocketcan编译完毕。
        （6）解压canutils-4.0.6.tar.bz2，执行configure命令。（其中--host是指定交叉工具链，--prefix是指定库的生成位置，libsocketcan_LIBS是指定canconfig需要链接的库，LDFLAGS是指定外部库的路径，CPPFLAGS是指定外部头文件的路径）
        ./configure --host=arm-none-linux-gnueabi --prefix=/home/linux/workdir/can/tools/canutils libsocketcan_LIBS=-lsocketcan LDFLAGS=-L/home/linux/workdir/can/tools/socketcan/lib CPPFLAGS=-I/home/linux/workdir/can/tools/socketcan/include
        （7）修改完成执行make命令，生成四个目录，分别拷贝到开发板文件系统的相应目录。
        （8）使用canutils工具。（可以使用[命令 + --help]的方式来查看命令的详细用法，下面只介绍一些常用的指令）
① 配置CAN的总线通讯波特率：
        canconfig canX bitrate + 波特率

图7 使用canutils 工具设置CAN总线波特率

② 开启 / 重启 / 关闭CAN总线
        canconfig canX start
        canconfig canX restart
        canconfig canX stop

图8 设置CAN总线状态

③ 查看CAN总线状态
        canecho canX

图9 查看CAN总线状态

④ 发送信息
        cansend canX –-identifier=ID + 数据

图10 CAN总线发送数据

⑤ 接收数据
        candump canX

图11 CAN总线接收数据

⑥ 使用滤波器接收ID匹配的数据
        candump canX –-filter=ID:mask

图12 CAN总线使用滤波器接收匹配数据

7.总结
至此，使用Socket方式的MCP2515 CAN总线驱动设计的就介绍完了，用户可以使用Socket套接字的方式，参照canutils的源码设计自己的应用程序。
下一篇文章将会详细介绍使用SPI子系统的方式，设计MCP2515 CAN总线的字符设备驱动的方法。