学习情境名称

设计物联网通信接口

学习任务名称

设计嵌入式系统中的CAN总线接口（ARMCPU型号S3C2440，CAN总线控制器芯片型号MCP2510，CAN总线收发器芯片型号TJA1050）

学时

2学时

典型工作过程描述

1. 分析需求—2.制定方案—3.编写代码—4.测试软件—5.验证系统

学习目标

1.分析需求

1.1确定目标；

1.2收集需求信息；

1.3建立需求文档；

1.4验证需求；

1.5更新需求文档；

1.6审核需求文档；

保障措施：保护客户信息，尊重用户隐私，守信用，遵守行业规范，责任意识，持续学习。

2.制定方案

2.1制定设计规范；

2.2设计总体软件架构；

2.3设计功能模块；

2.4设计测试用例；

2.5优化性能；

保障措施：尊重知识产权，保护用户隐私，确保合法性和合规性，尽职尽责，社会责任感。

3.编写代码

3.1确定编程环境；

3.2定义程序结构；

3.3编写初始化函数；

3.4编写主程序；

3.5编写子程序；

3.6 编写驱动程序

保障措施：尊重知识产权，保护用户隐私，提高软件可靠性和安全性，确保合法性和合规性，尽职尽责，提高专业素养，社会责任感。

4.测试软件

4.1审查代码；

4.2分析静态代码；

4.3分析动态代码；

4.4设计测试用例；

4.5测试单元模块；

4.6测试集成性；

保障措施：保护用户隐私，公正客观，确保测试质量，提高专业素养，提高工作效率。

5.验证系统

5.1烧录系统

5.2测试功能；

5.3测试性能；

5.4测试安全性；

5.5测试可靠性。

保障措施：保障系统安全性，避免影响系统运行，确保测试数据的准确性，提高专业素养

任务描述

1.分析需求：

1）确定目标

通过查阅项目需求文档及企业《设计嵌入式系统中的CAN总线接口任务书》等企业资料，明确设计嵌入式系统中CAN总线接口的具体目标，包括确定通信速率、支持节点数目、数据帧格式、通信协议、设定消息优先级等。

3）收集需求信息

搜集嵌入式系统软硬件平台信息，嵌入式系统开发环境和条件，包括UP-CUP2440硬件平台的硬件规格。具体通过阅读《UP-CUP2440实验指导书》，详细了解CAN控制器的技术规格，例如支持的波特率范围、过滤器设置等。通过阅读CAN协议规范，深入了解通信规则、帧结构、错误处理等细节。明确开发工具、编程语言、调试设备、测试方法等平台参数。最后查阅《物联网嵌入式开发技术项目教程》等资料收集整理设计CAN总线接口通信嵌入式软件参考例程。

4）建立需求文档

根据搜集到的信息，创建设计CAN总线通信接口嵌入式软件的需求文档。将系统目标、通信规则、帧格式定义、通信速率等设置写入文档，并标明所使用的硬件和芯片型号。

5）验证需求

利用CAN模拟工具（如CANoe）或实际硬件进行通信模拟测试，验证设计的CAN总线接口是否满足实际通信需求。确保模拟结果与需求文档中所描述的一致。

6）更新需求文档

根据验证过程中发现的问题或改进点，及时更新需求文档，以确保文档与实际需求保持同步。。

7）审核需求文档

最终完成设计嵌入式系统中CAN总线接口嵌入式软件需求说明书。

2.制定方案：

1）制定设计规范

明确设计嵌入式系统中CAN总线接口嵌入式软件所使用的编程语言（如C/C++、java，Python）、命名规范、编码规范、代码风格等设计规范，确保代码的一致性和易读性。

2）设计总体系统架构

绘制设计嵌入式系统中CAN总线接口的整体架构图。详细标注软件各个模块的职责、数据流向以及消息处理流程。确定硬件连接，包括CAN控制器芯片MCP2510的物理连接方式以及CAN收发器芯片TJA1050的连接方式。

3）设计功能模块

查阅《嵌入式linux设备驱动》，完成嵌入式系统CAN总线通信模块设计，包括CAN控制器的初始化，配置波特率、过滤器设置等。然后实现消息的发送和接收逻辑，考虑消息队列、中断处理等机制。定义错误处理机制，如错误帧的丢弃、错误状态的上报等，确保通信的可靠性和稳定性；根据需要，设计数据处理模块和错误处理模块，对接收到的数据进行解析、处理，记录错误状态并根据需求进行错误报告。

4）设计测试用例

创建嵌入式系统中CAN总线接口的测试用例及测试方法，覆盖不同情况，包括：测试CAN控制器初始化函数是否正确配置波特率和工作模式、验证消息发送函数能否成功将数据帧发送到总线、测试消息接收函数是否正确解析接收到的数据帧、验证错误处理函数是否能够正确处理错误情况，如错误帧或位错误等。

5）优化性能

最后对嵌入式系统CAN接口的通信性能进行分析，包括通信延迟、吞吐量等指标的评估。使用性能分析工具，测量系统在各种通信场景下的性能表现，找出性能瓶颈。提出优化方案，包括算法优化、代码优化、减少通信延迟、提高数据读写速度等。

6）完善嵌入式系统CAN总线接口的软件详细设计说明书，具体描述各个模块的功能、接口、数据结构等。

3.编写代码：

1）确定编程环境

根据项目需求，构建合适的开发环境。使用虚拟机加载的ubuntu系统，基于UP-CUP2440硬件平台，选择适当的编程语言，如嵌入式C语言进行程序编写。

2）定义程序结构

设计嵌入式CAN总线接口程序的的整体结构，包括各个模块的职责、函数、变量和数据结构等。确保模块之间的交互方式清晰可见，减少耦合度。

3）编写初始化函数

编写CAN控制器的初始化函数，使用MCP2510芯片进行初始化。在初始化过程中设置合适的波特率、工作模式和过滤器，确保CAN控制器能够正常启动和配置。

4）编写数据通信模块

编写主程序main()，实现嵌入式系统的CAN总线数据通信功能。包括消息发送函数，将待发送的数据封装成CAN数据帧，通过MCP2510的SPI接口将数据帧发送到CAN总线上，确保发送过程可靠，数据能够准确传递。消息接收函数，监听总线上的数据帧。通过MCP2510的SPI接口读取数据帧，解析帧中的信息。处理接收到的数据，确保数据能够被正确解析和利用。

5）编写驱动函数

编写与操作系统交互的驱动函数，包括定义CAN总线设备文件接口函数，用于应用层调用CAN总线接口设备文件，实现设备具体操作；CAN总线设备打开函数、CAN总线设备释放函数，实现CAN总线设备的打开和释放；CAN总线读数据函数、CAN总线写数据函数以实现数据的收发；定义CAN总线接口参数设备函数，以通过应用层发送不同的命令进行参数的设置，如设置波特率、数据帧ID、CAN接口是否回环等。

最后生成嵌入式系统CAN总线接口的完整源代码，确保代码能在UP-CUP2440硬件平台上编译和执行。

4.测试软件：

1）审查代码

按照《嵌入式软件编码规范》的要求，对编写的嵌入式软件代码进行审查，确保代码符合编码规范和设计文档，结构清晰、易于阅读。

2）静态代码分析

使用静态代码分析工具，对代码中可能存在的缺陷，如内存泄漏、数组越界、空指针等问题进行检查，根据分析结果进行修复和优化。

3）分析动态代码

选择合适的动态代码分析工具，如Valgrind或AddressSanitizer，用于分析代码在运行时的行为。工具会跟踪内存分配、访问、函数调用等操作，生成报告指出潜在问题。根据报告中的指示，修复代码中发现的问题，确保代码的正确性和稳定性。

4）设计测试用例

根据CAN总线接口特性，设计CAN接口通信各模块的测试用例。这些测试用例应覆盖不同节点、不同负载的场景，确保整个系统在真实通信环境下能够正常工作。

5）测试单元模块

对代码中的主函数和子函数进行测试，包括测试CAN控制器初始化函数是否正确配置波特率和工作模式，验证消息发送函数能否成功将数据帧发送到总线，测试消息接收函数是否正确解析接收到的数据帧等。

6）测试集成性

最后对嵌入式CAN总线接口的软件代码各功能模块进行集成测试，模拟不同节点的通信场景，模拟错误帧的情况，测试错误帧的过滤和处理机制，确保各模块代码协同工作，以保证数据传递的正确性。

生成CAN总线接口设计的嵌入式软件测试报告，记录测试过程、发现的问题和拟采用的优化方案。

5.验证系统：

1）烧录系统

通过Makefile重新编译内核，驱动及应用层源码，将更新后的内核通过uboot环境中的tftp重新更新系统。使用tftp/ftp等网络工具将驱动及可执行文件下载到UP-CUP2440嵌入式linux文件系统中，运行系统。

2）测试功能

将CAN总线控制芯片MCP2510的SPI接口连接UP-CUP2440硬件平台的CPU的串口，MCP2510数据收发端连接至CAN总线收发器芯片型号TJA1050。确保通信的物理连接正常，对嵌入式系统中的CAN总线接口进行全面的功能验证，包括数据发送、数据接收、数据处理等，确保系统在不同条件下都能够按照需求正常工作。

3）测试性能

使用合适的测试工具，验证系统的性能指标，测试通信速率及带负载能力，确保通信速率及稳定性满足项目需求。

4）测试安全性

使用万用表检查CAN总线接口是否存在漏电等情况，检查系统是否存在潜在安全隐患，确保数据传输的机密性和完整性。

5）测试可靠性

对CAN总线接口进行电气稳定性、抗干扰性、抗振特性测试。运行系统一段时间，并监控系统的运行情况，验证系统在稳定性和可靠性方面的表现。

6）根据验证结果，撰写系统验证报告，详细记录系统在各个方面的表现和测试结果。描述系统的功能、性能、安全性、可靠性等情况。

学时安排

资讯0.2学时

计划0.2学时

决策0.2学时

实施1学时

检查0.2学时

评价0.2学时

对员工的要求

1.分析需求：

1）保护客户信息：员工需要尊重客户的知识产权和商业机密，不得泄漏用户信息或将其用于非法用途。

2）尊重用户隐私：员工需要尊重用户的隐私权，不得在需求分析过程中收集或使用用户的个人信息，同时需要对用户的个人信息进行保护和处理。

3）守信用：员工需要严格遵守合同约定和承诺，确保需求分析过程中的所有工作都是真实可靠的，不得有欺诈行为。

4）遵守行业规范：员工需要遵守相关行业规范和标准，确保需求分析工作的规范性和合规性，同时也需要尊重其他行业从业人员的权益和利益。

5）意识到责任：员工需要意识到自己的职业责任和义务，不仅要满足客户的需求和要求，同时也需要考虑需求分析结果对用户、公司和社会的影响和责任。

6）持续学习：员工需要持续学习和提高自己的专业素养，了解最新的需求分析技术和方法，以及遵守需求分析规范和标准，确保需求分析结果具有可读性、可维护性和可重用性。

2.制定方案：

1）尊重知识产权。员工需要尊重知识产权，不应抄袭或盗用他人的方案、设计或思想。

2）保护用户隐私。员工需要保护用户隐私，遵守相关的隐私法规和规定，确保设计方案中不会收集和存储用户的个人信息。

3）确保合法性和合规性。员工需要确保设计方案的合法性和合规性，遵守相关法律法规和规定，不涉及任何违法活动或行为。

4）尽职尽责。员工需要尽职尽责，认真履行自己的职责，确保设计方案能够满足项目的需求和要求。

5）社会责任感：员工需要有社会责任感，考虑设计方案的社会影响和责任，确保设计方案符合社会道德和法律规范。

3.编写代码：

1）尊重知识产权。员工需要尊重知识产权，不应抄袭或盗用他人的代码、算法或知识产权，以及使用正版软件和工具。

2）保护用户隐私。员工需要保护用户隐私，遵守相关的隐私法规和规定，确保软件不会收集和存储用户的个人信息，以及加密敏感数据。

3）提高软件可靠性和安全性。员工需要提高软件的可靠性和安全性，避免设计和编写存在缺陷的代码，以及避免存在潜在的安全漏洞和攻击。

4）确保合法性和合规性。员工需要确保编写的代码的合法性和合规性，遵守相关法律法规和规定，不涉及任何违法活动或行为。

5）尽职尽责。员工需要尽职尽责，认真履行自己的职责，确保编写的代码能够满足项目的需求和要求，以及及时维护和更新代码。

6）提高专业素养。员工需要不断提高自己的专业素养，了解最新的嵌入式软件编写技术和方法，以及遵守编写规范和标准，确保编写的代码具有可读性、可维护性和可重用性。

7）社会责任感。员工需要有社会责任感，考虑编写的代码的社会影响和责任，确保编写的代码符合社会道德和法律规范，以及不会对用户和社会造成伤害。

4.测试软件：

1）保护用户隐私：员工需要保护用户隐私，遵守相关隐私法规和规定，确保测试数据不会泄露用户个人信息。

2）公正客观：员工需要保持公正和客观，不受个人利益或其他偏见的影响，对待所有测试数据和测试结果都应一视同仁。

3）确保测试质量：员工需要确保测试质量，编写充分的测试方案和测试用例，涵盖所有可能出现的异常情况，以及遵守测试规范和标准。

4）提高专业素养：员工需要不断提高自己的专业素养，了解最新的嵌入式软件测试技术和方法，以及遵守测试规范和标准，确保测试数据具有可读性、可维护性和可重用性。

5）提高工作效率：员工需要通过有效的测试工作流程和方法，提高测试工作的效率和准确性，尽快发现和解决嵌入式软件中存在的问题和缺陷，以确保软件的质量和稳定性。

5.验证系统

1）保障系统安全性：员工需要确保测试过程中系统的安全性，尤其是对于涉及到安全领域的嵌入式软硬件系统，需要严格遵守安全测试规范，确保系统的安全性。

2）避免影响系统运行：员工需要在测试过程中避免对系统的正常运行产生影响，不得擅自修改系统参数、数据等内容，确保测试不影响系统的稳定性和可靠性。

3）确保测试数据的准确性：员工需要确保测试数据的准确性和真实性，不得篡改或伪造测试数据，同时也需要对测试数据进行保密和妥善处理，以防数据泄露和滥用。

4）提高专业素养：员工需要不断提高自己的专业素养，了解最新的嵌入式软硬件测试技术和方法，以及遵守测试规范和标准，确保测试数据具有可读性、可维护性和可重用性。

参考资料

1. 张小恒等. 物联网嵌入式开发技术项目教程[M], 北京: 机械工业出版社, 2023.

2. 北京博创智联科技有限公司. UP-CUP经典2440教学科研平台实验指导书. 北京: 北京博创智联科技有限公司. 2011.

3. 姜先刚, 刘洪涛. 嵌入式Linux驱动开发教程[M], 北京: 电子工业出版社, 2017.

4. GB/T 9385-2008. 计算机软件需求规格说明规范[S]. 北京: 中国质检出版社, 2008.

5. GB/T 28169-2011. 嵌入式软件C语言编码规范[S]. 北京: 中国质检出版社, 2012.