CAN總線的基礎(chǔ)知識(shí)

CAN總線(一)

嵌入式的工程師一般都知道CAN總線廣泛應(yīng)用到汽車中，其實(shí)船艦電子設(shè)備通信也廣泛使用CAN，隨著國(guó)家對(duì)海防的越來越重視，對(duì)CAN的需求也會(huì)越來越大。這個(gè)暑假，通過參加蘇州社會(huì)實(shí)踐，去某船舶電氣公司實(shí)習(xí)幾周，也借此機(jī)會(huì)，學(xué)習(xí)了一下CAN總線。

概述

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)分布式實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。

想到CAN就要想到德國(guó)的Bosch公司，因?yàn)镃AN就是這個(gè)公司開發(fā)的（和Intel）

CAN有很多優(yōu)秀的特點(diǎn)，使得它能夠被廣泛的應(yīng)用。比如：傳輸速度最高到1Mbps，通信距離最遠(yuǎn)到10km，無損位仲裁機(jī)制，多主結(jié)構(gòu)。

近些年來，CAN控制器價(jià)格越來越低，很多MCU也集成了CAN控制器。現(xiàn)在每一輛汽車上都裝有CAN總線。

一個(gè)典型的CAN應(yīng)用場(chǎng)景：

CAN總線標(biāo)準(zhǔn)

CAN總線標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，需要用戶自定義應(yīng)用層。不同的CAN標(biāo)準(zhǔn)僅物理層不同。

CAN收發(fā)器負(fù)責(zé)邏輯電平和物理信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。

將邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換成物理信號(hào)（差分電平），或者將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成邏輯電平。

CAN標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，即IOS11898和IOS11519，兩者差分電平特性不同。

高低電平幅度低，對(duì)應(yīng)的傳輸速度快；

*雙絞線共模消除干擾，是因?yàn)殡娖酵瑫r(shí)變化，電壓差不變。

物理層

CAN有三種接口器件

多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，只要有一個(gè)為低電平，總線就為低電平，只有所有節(jié)點(diǎn)輸出高電平時(shí)，才為高電平。所謂"線與"。

CAN總線有5個(gè)連續(xù)相同位后，就插入一個(gè)相反位，產(chǎn)生跳變沿，用于同步。從而消除累積誤差。

和485、232一樣，CAN的傳輸速度與距離成反比。

CAN總線，終端電阻的接法：

為什么是120Ω，因?yàn)殡娎|的特性阻抗為120Ω，為了模擬無限遠(yuǎn)的傳輸線

數(shù)據(jù)鏈路層

CAN總線傳輸?shù)氖荂AN幀，CAN的通信幀分成五種，分別為數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過載幀和幀間隔。

數(shù)據(jù)幀用來節(jié)點(diǎn)之間收發(fā)數(shù)據(jù)，是使用最多的幀類型；遠(yuǎn)程幀用來接收節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)；錯(cuò)誤幀是某節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)幀錯(cuò)誤時(shí)用來向其他節(jié)點(diǎn)通知的幀；過載幀是接收節(jié)點(diǎn)用來向發(fā)送節(jié)點(diǎn)告知自身接收能力的幀；用于將數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀與前面幀隔離的幀。

數(shù)據(jù)幀根據(jù)仲裁段長(zhǎng)度不同分為標(biāo)準(zhǔn)幀（2.0A）和擴(kuò)展幀（2.0B）

幀起始

幀起始由一個(gè)顯性位（低電平）組成，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀起始，其他節(jié)點(diǎn)同步于幀起始；

幀結(jié)束由7個(gè)隱形位（高電平）組成。

仲裁段

CAN總線是如何解決多點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)的問題？

由仲裁段給出答案。

CAN總線控制器在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)監(jiān)控總線電平，如果電平不同，則停止發(fā)送并做其他處理。如果該位位于仲裁段，則退出總線競(jìng)爭(zhēng)；如果位于其他段，則產(chǎn)生錯(cuò)誤事件。

幀ID越小，優(yōu)先級(jí)越高。由于數(shù)據(jù)幀的RTR位為顯性電平，遠(yuǎn)程幀為隱性電平，所以幀格式和幀ID相同的情況下，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀；由于標(biāo)準(zhǔn)幀的IDE位為顯性電平，擴(kuò)展幀的IDE位為隱形電平，對(duì)于前11位ID相同的標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀，標(biāo)準(zhǔn)幀優(yōu)先級(jí)比擴(kuò)展幀高。

控制段

共6位，標(biāo)準(zhǔn)幀的控制段由擴(kuò)展幀標(biāo)志位IDE、保留位r0和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼DLC組成；擴(kuò)展幀控制段則由IDE、r1、r0和DLC組成。

數(shù)據(jù)段

為0-8字節(jié)，短幀結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)性好，適合汽車和工控領(lǐng)域；

CRC段

CRC校驗(yàn)段由15位CRC值和CRC界定符組成。

ACK段

當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)接收到的幀起始到CRC段都沒錯(cuò)誤時(shí)，它將在ACK段發(fā)送一個(gè)顯性電平，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送隱性電平，線與結(jié)果為顯性電平。

遠(yuǎn)程幀

遠(yuǎn)程幀分為6個(gè)段，也分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀，且RTR位為1（隱性電平）

CAN是可靠性很高的總線，但是它也有五種錯(cuò)誤。

CRC錯(cuò)誤：發(fā)送與接收的CRC值不同發(fā)生該錯(cuò)誤；

格式錯(cuò)誤：幀格式不合法發(fā)生該錯(cuò)誤；

應(yīng)答錯(cuò)誤：發(fā)送節(jié)點(diǎn)在ACK階段沒有收到應(yīng)答信息發(fā)生該錯(cuò)誤；

位發(fā)送錯(cuò)誤：發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息時(shí)發(fā)現(xiàn)總線電平與發(fā)送電平不符發(fā)生該錯(cuò)誤；

位填充錯(cuò)誤：通信線纜上違反通信規(guī)則時(shí)發(fā)生該錯(cuò)誤。

當(dāng)發(fā)生這五種錯(cuò)誤之一時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)或接受節(jié)點(diǎn)將發(fā)送錯(cuò)誤幀

為防止某些節(jié)點(diǎn)自身出錯(cuò)而一直發(fā)送錯(cuò)誤幀，干擾其他節(jié)點(diǎn)通信，CAN協(xié)議規(guī)定了節(jié)點(diǎn)的3種狀態(tài)及行為

過載幀

當(dāng)某節(jié)點(diǎn)沒有做好接收的"準(zhǔn)備"時(shí)，將發(fā)送過載幀，以通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)。

幀間隔

用來隔離數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀與他們前面的幀，錯(cuò)誤幀和過載幀前面不加幀間隔。

//好好理解1.6最后一張ppt

構(gòu)建CAN節(jié)點(diǎn)

構(gòu)建節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制，由底向上分為四個(gè)部分：CAN節(jié)點(diǎn)電路、CAN控制器驅(qū)動(dòng)、CAN應(yīng)用層協(xié)議、CAN節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序。

雖然不同節(jié)點(diǎn)完成的功能不同，但是都有相同的硬件和軟件結(jié)構(gòu)。

CAN收發(fā)器和控制器分別對(duì)應(yīng)CAN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，完成CAN報(bào)文的收發(fā)；功能電路，完成特定的功能，如信號(hào)采集或控制外設(shè)等；主控制器與應(yīng)用軟件按照CAN報(bào)文格式解析報(bào)文，完成相應(yīng)控制。

CAN硬件驅(qū)動(dòng)是運(yùn)行在主控制器（如P89V51）上的程序，它主要完成以下工作：基于寄存器的操作，初始化CAN控制器、發(fā)送CAN報(bào)文、接收CAN報(bào)文；

如果直接使用CAN硬件驅(qū)動(dòng)，當(dāng)更換控制器時(shí)，需要修改上層應(yīng)用程序，移植性差。在應(yīng)用層和硬件驅(qū)動(dòng)層加入虛擬驅(qū)動(dòng)層，能夠屏蔽不同CAN控制器的差異。

一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)除了完成通信的功能，還包括一些特定的硬件功能電路，功能電路驅(qū)動(dòng)向下直接控制功能電路，向上為應(yīng)用層提供控制功能電路函數(shù)接口。特定功能包括信號(hào)采集、人機(jī)顯示等。

CAN收發(fā)器是實(shí)現(xiàn)CAN控制器邏輯電平與CAN總線上差分電平的互換。實(shí)現(xiàn)CAN收發(fā)器的方案有兩種，一是使用CAN收發(fā)IC（需要加電源隔離和電氣隔離），另一種是使用CAN隔離收發(fā)模塊。推薦使用第二種。

CAN控制器是CAN的核心元件，它實(shí)現(xiàn)了CAN協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能，能夠自動(dòng)完成CAN協(xié)議的解析。CAN控制器一般有兩種，一種是控制器IC（SJA1000），另一種是集成CAN控制器的MCU（LPC11C00）。

MCU負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)功能電路和CAN控制器的控制：在節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，初始化CAN控制器參數(shù)；通過CAN控制器讀取和發(fā)送CAN幀；在CAN控制器發(fā)生中斷時(shí)，處理CAN控制器的中斷異常；根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)輸出控制信號(hào)；

接口管理邏輯：解釋MCU指令，尋址CAN控制器中的各功能模塊的寄存器單元，向主控制器提供中斷信息和狀態(tài)信息。

發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)能夠存儲(chǔ)CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的完整信息。

驗(yàn)收濾波是將存儲(chǔ)的驗(yàn)證碼與CAN報(bào)文識(shí)別碼進(jìn)行比較，跟驗(yàn)證碼匹配的CAN幀才會(huì)存儲(chǔ)到接收緩沖區(qū)。

CAN內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈路的全部協(xié)議。

CAN協(xié)議應(yīng)用層概述

CAN總線只提供可靠的傳輸服務(wù)，所以節(jié)點(diǎn)接收?qǐng)?bào)文時(shí)，要通過應(yīng)用層協(xié)議來判斷是誰(shuí)發(fā)來的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)代表了什么含義。常見的CAN應(yīng)用層協(xié)議有：CANOpen、DeviceNet、J1939、iCAN等。

CAN應(yīng)用層協(xié)議驅(qū)動(dòng)是運(yùn)行在主控制器（如P89V51）上的程序，它按照應(yīng)用層協(xié)議來對(duì)CAN報(bào)文進(jìn)行定義、完成CAN報(bào)文的解析與拼裝。例如，我們將幀ID用來表示節(jié)點(diǎn)地址，當(dāng)接收到的幀ID與自身節(jié)點(diǎn)ID不通過時(shí)，就直接丟棄，否則交給上層處理；發(fā)送時(shí)，將幀ID設(shè)置為接收節(jié)點(diǎn)的地址。

CAN收發(fā)器

SJA1000的輸出模式有很多，使用最多的是正常輸出模式，輸入模式通常不選擇比較器模式，可以增大通信距離，并且減少休眠下的電流。

收發(fā)器按照通信速度分為高速CAN收發(fā)器和容錯(cuò)CAN收發(fā)器。

同一網(wǎng)絡(luò)中要使用相同的CAN收發(fā)器。

CAN連接線上會(huì)有很多干擾信號(hào)，需要在硬件上添加濾波器和抗干擾電路

也可以使用CAN隔離收發(fā)器（集成濾波器和抗干擾電路）。

CAN控制器與MCU的連接方式

SJA1000可被視為外擴(kuò)RAM，地址寬度8位，最多支持256個(gè)寄存器

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#define REG_BASE_ADDR 0xA000 // 寄存器基址
unsigned?char?*SJA_CS_Point = (unsigned?char?*) REG_BASE_ADDR ;
// 寫SJA1000寄存器
void?WriteSJAReg(unsigned?char?RegAddr, unsigned?char?Value) {
*(SJA_CS_Point + RegAddr) = Value;
return;
}
// 讀SJA1000寄存器
unsigned?char?ReadSJAReg(unsigned?char?RegAddr) {
?return?(*(SJA_CS_Point + RegAddr));
}

將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)連續(xù)寫入寄存器

…… for (i=0;i

將連續(xù)多個(gè)寄存器連續(xù)讀入緩存區(qū)

…… for (i=0;i

頭文件包含方案：

每個(gè)程序包含用到的頭文件

每個(gè)程序包含一個(gè)公用頭文件，公用頭文件包含所有其他頭文件

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#ifndef __CONFIG_H__ // 防止頭文件被重復(fù)包含
#define __CONFIG_H__
#include <8051.h>???????? // 包含80C51寄存器定義頭文件
#include "SJA1000REG.h"???????? // 包含SJA1000寄存器定義頭文件
// 定義取字節(jié)運(yùn)算
#define LOW_BYTE(x)? (unsigned char)(x)
#define HIGH_BYTE(x)? (unsigned char)((unsigned int)(x) >> 8)
// 定義振蕩器時(shí)鐘和處理器時(shí)鐘頻率（用戶可以根據(jù)實(shí)際情況作出調(diào)整）
#define OSCCLK 11059200UL
// 宏定義MCU的時(shí)鐘頻率
#define CPUCLK (OSCCLK / 12)
#endif // __CONFIG_H__

SJA1000上電后處于復(fù)位狀態(tài)，必須初始化后才能工作。

（1）置位模式寄存器Bit0位進(jìn)入復(fù)位模式；

（2）設(shè)置時(shí)鐘分頻寄存器選擇時(shí)鐘頻率、CAN模式；

（3）設(shè)置驗(yàn)收濾波，設(shè)定驗(yàn)證碼和屏蔽碼；

（4）設(shè)置總線定時(shí)器寄存器0、1設(shè)定CAN波特率；

（5）設(shè)置輸出模式；

（6）清零模式寄存器Bit0位退出復(fù)位模式；

模式寄存器

只檢測(cè)模式：SJA1000發(fā)送CAN幀時(shí)不檢查應(yīng)答位；

只聽模式：此模式下SJA1000不會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤幀，用于自動(dòng)檢測(cè)波特率；SJA1000以不同的波特率接收CAN幀，當(dāng)收到CAN幀時(shí)，表明當(dāng)前波特率與總線波特率相同。

波特率設(shè)置

CAN總線無時(shí)鐘，使用異步串行傳輸；波特率是1秒發(fā)送的數(shù)據(jù)位；

CAN幀發(fā)送：

發(fā)送CAN幀的步驟：1.檢測(cè)狀態(tài)寄存器，等待發(fā)送緩沖區(qū)可用；

2.填充報(bào)文到發(fā)送緩沖區(qū)；

3.啟動(dòng)發(fā)送。

SJA1000具有一個(gè)12字節(jié)的緩沖區(qū)，要發(fā)送的報(bào)文可以通過寄存器16-28寫入，也可通過寄存器96-108寫入或讀出

設(shè)置發(fā)送模式

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char?SetSJASendCmd(unsigned?char?cmd) {
????unsigned?char?ret;
????switch?(cmd) {
????default:
????case?0:
????????ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT);?//正常發(fā)送
????break;
????case?1:
????????ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT|AT_BIT);?//單次發(fā)送
????break;
????case?2:
????????ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT|SRR_BIT);//自收自發(fā)
????break;
????case?0xff:
????????ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, AT_BIT);//終止發(fā)送
????break;
????}
????return?ret;
}?????????

?發(fā)送函數(shù)

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unsigned?char?SJA_CAN_Filter[8] = {????// 定義驗(yàn)收濾波器的參數(shù)，接收所有幀???????
0x00, 0x00, 0x00, 0x00,????????????????????????????????????????????????
// ACR0~ACR3???????
0xff, 0xff, 0xff, 0xff?????????????????????????????????????????????????????????
// AMR0~AMR3
};
unsigned?char?STD_SEND_BUFFER[11] = {???// CAN 發(fā)送報(bào)文緩沖區(qū)???????
0x08,???// 幀信息，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 = 8???????
0xEA, 0x60,?// 幀ID = 0x753
0x55, 0x55, 0x55, 0x55, 0xaa, 0xaa, 0xaa, 0xaa??// 幀數(shù)據(jù)
};
void?main(void)?// 主函數(shù)，程序入口
{???????
????timerInit();// 初始化
????D1 = 0;???????
????SJA1000_RST = 1;?// 硬件復(fù)位SJA1000???????
????timerDelay(50);?// 延時(shí)500ms???????
????SJA1000_RST = 0;???????
????SJA1000_Init(0x00, 0x14, SJA_CAN_Filter);???// 初始化SJA1000，設(shè)置波特率為1Mbps???????
????// 無限循環(huán)，main()函數(shù)不允許返回??????
????for(;;) {???????????
????????SJASendData(STD_SEND_BUFFER, 0x0);???????????
????????timerDelay(100);?????????// 延時(shí)1000ms??????
????}????
}

為什么幀ID是0x753，這與CAN幀在緩沖區(qū)的存儲(chǔ)格式有關(guān)。