CAN總線

CAN總線(一)

原文出處：http://www.cnblogs.com/jacklu/p/4729638.html

嵌入式的工程師通常都知道CAN總線普遍應用到汽車中，其實船艦電子設備通訊也普遍使用CAN，隨着國家對海防的愈來愈重視，對CAN的需求也會愈來愈大。這個暑假，經過參加蘇州社會實踐，去某船舶電氣公司實習幾周，也藉此機會，學習了一下CAN總線。

概述

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網，是一種可以實現分佈式實時控制的串行通訊網絡。

想到CAN就要想到德國的Bosch公司，由於CAN就是這個公司開發的（和Intel）

CAN有不少優秀的特色，使得它可以被普遍的應用。好比：傳輸速度最高到1Mbps，通訊距離最遠到10km，無損位仲裁機制，多主結構。

近些年來，CAN控制器價格愈來愈低，不少MCU也集成了CAN控制器。如今每一輛汽車上都裝有CAN總線。

一個典型的CAN應用場景：

CAN總線標準

CAN總線標準只規定了物理層和數據鏈路層，須要用戶自定義應用層。不一樣的CAN標準僅物理層不一樣。

CAN收發器負責邏輯電平和物理信號之間的轉換。

將邏輯信號轉換成物理信號（差分電平），或者將物理信號轉換成邏輯電平。

CAN標準有兩個，即IOS11898和IOS11519，二者差分電平特性不一樣。

高低電平幅度低，對應的傳輸速度快；

*雙絞線共模消除干擾，是由於電平同時變化，電壓差不變。

物理層

CAN有三種接口器件

多個節點鏈接，只要有一個爲低電平，總線就爲低電平，只有全部節點輸出高電平時，才爲高電平。所謂"線與"。

CAN總線有5個連續相同位後，就插入一個相反位，產生跳變沿，用於同步。從而消除累積偏差。

和48五、232同樣，CAN的傳輸速度與距離成反比。

CAN總線，終端電阻的接法：

爲何是120Ω，由於電纜的特性阻抗爲120Ω，爲了模擬無限遠的傳輸線

數據鏈路層

CAN總線傳輸的是CAN幀，CAN的通訊幀分紅五種，分別爲數據幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀和幀間隔。

數據幀用來節點之間收發數據，是使用最多的幀類型；遠程幀用來接收節點向發送節點接收數據；錯誤幀是某節點發現幀錯誤時用來向其餘節點通知的幀；過載幀是接收節點用來向發送節點告知自身接收能力的幀；用於將數據幀、遠程幀與前面幀隔離的幀。

數據幀根據仲裁段長度不一樣分爲標準幀（2.0A）和擴展幀（2.0B）

幀起始

幀起始由一個顯性位（低電平）組成，發送節點發送幀起始，其餘節點同步於幀起始；

幀結束由7個隱形位（高電平）組成。

仲裁段

CAN總線是如何解決多點競爭的問題？

由仲裁段給出答案。

CAN總線控制器在發送數據的同時監控總線電平，若是電平不一樣，則中止發送並作其餘處理。若是該位位於仲裁段，則退出總線競爭；若是位於其餘段，則產生錯誤事件。

幀ID越小，優先級越高。因爲數據幀的RTR位爲顯性電平，遠程幀爲隱性電平，因此幀格式和幀ID相同的狀況下，數據幀優先於遠程幀；因爲標準幀的IDE位爲顯性電平，擴展幀的IDE位爲隱形電平，對於前11位ID相同的標準幀和擴展幀，標準幀優先級比擴展幀高。

控制段

共6位，標準幀的控制段由擴展幀標誌位IDE、保留位r0和數據長度代碼DLC組成；擴展幀控制段則由IDE、r一、r0和DLC組成。

數據段

爲0-8字節，短幀結構，實時性好，適合汽車和工控領域；

CRC段

CRC校驗段由15位CRC值和CRC界定符組成。

ACK段

當接收節點接收到的幀起始到CRC段都沒錯誤時，它將在ACK段發送一個顯性電平，發送節點發送隱性電平，線與結果爲顯性電平。

遠程幀

遠程幀分爲6個段，也分爲標準幀和擴展幀，且RTR位爲1（隱性電平）

CAN是可靠性很高的總線，可是它也有五種錯誤。

CRC錯誤：發送與接收的CRC值不一樣發生該錯誤；

格式錯誤：幀格式不合法發生該錯誤；

應答錯誤：發送節點在ACK階段沒有收到應答信息發生該錯誤；

位發送錯誤：發送節點在發送信息時發現總線電平與發送電平不符發生該錯誤；

位填充錯誤：通訊線纜上違反通訊規則時發生該錯誤。

當發生這五種錯誤之一時，發送節點或接受節點將發送錯誤幀

爲防止某些節點自身出錯而一直髮送錯誤幀，干擾其餘節點通訊，CAN協議規定了節點的3種狀態及行爲

過載幀

當某節點沒有作好接收的"準備"時，將發送過載幀，以通知發送節點。

幀間隔

用來隔離數據幀、遠程幀與他們前面的幀，錯誤幀和過載幀前面不加幀間隔。

//好好理解1.6最後一張ppt

構建CAN節點

構建節點，實現相應控制，由底向上分爲四個部分：CAN節點電路、CAN控制器驅動、CAN應用層協議、CAN節點應用程序。

雖然不一樣節點完成的功能不一樣，可是都有相同的硬件和軟件結構。

 

CAN收發器和控制器分別對應CAN的物理層和數據鏈路層，完成CAN報文的收發；功能電路，完成特定的功能，如信號採集或控制外設等；主控制器與應用軟件按照CAN報文格式解析報文，完成相應控制。

CAN硬件驅動是運行在主控制器（如P89V51）上的程序，它主要完成如下工做：基於寄存器的操做，初始化CAN控制器、發送CAN報文、接收CAN報文；

若是直接使用CAN硬件驅動，當更換控制器時，須要修改上層應用程序，移植性差。在應用層和硬件驅動層加入虛擬驅動層，可以屏蔽不一樣CAN控制器的差別。

一個CAN節點除了完成通訊的功能，還包括一些特定的硬件功能電路，功能電路驅動向下直接控制功能電路，向上爲應用層提供控制功能電路函數接口。特定功能包括信號採集、人機顯示等。

CAN收發器是實現CAN控制器邏輯電平與CAN總線上差分電平的互換。實現CAN收發器的方案有兩種，一是使用CAN收發IC（須要加電源隔離和電氣隔離），另外一種是使用CAN隔離收發模塊。推薦使用第二種。

CAN控制器是CAN的核心元件，它實現了CAN協議中數據鏈路層的所有功能，可以自動完成CAN協議的解析。CAN控制器通常有兩種，一種是控制器IC（SJA1000），另外一種是集成CAN控制器的MCU（LPC11C00）。

MCU負責實現對功能電路和CAN控制器的控制：在節點啓動時，初始化CAN控制器參數；經過CAN控制器讀取和發送CAN幀；在CAN控制器發生中斷時，處理CAN控制器的中斷異常；根據接收到的數據輸出控制信號；

 

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信息。

發送緩衝區和接收緩衝區可以存儲CAN總線網絡上的完整信息。

驗收濾波是將存儲的驗證碼與CAN報文識別碼進行比較，跟驗證碼匹配的CAN幀纔會存儲到接收緩衝區。

CAN內核實現了數據鏈路的所有協議。

CAN協議應用層概述

CAN總線只提供可靠的傳輸服務，因此節點接收報文時，要經過應用層協議來判斷是誰發來的數據、數據表明了什麼含義。常見的CAN應用層協議有： CANOpen、DeviceNet、J193九、iCAN等。

CAN應用層協議驅動是運行在主控制器（如P89V51）上的程序，它按照應用層協議來對CAN報文進行定義、完成CAN報文的解析與拼裝。例如，咱們將幀ID用來表示節點地址，當接收到的幀ID與自身節點ID不經過時，就直接丟棄，不然交給上層處理；發送時，將幀ID設置爲接收節點的地址。

CAN收發器

SJA1000的輸出模式有不少，使用最多的是正常輸出模式，輸入模式一般不選擇比較器模式，能夠增大通訊距離，而且減小休眠下的電流。

收發器按照通訊速度分爲高速CAN收發器和容錯CAN收發器。

同一網絡中要使用相同的CAN收發器。

CAN鏈接線上會有不少干擾信號，須要在硬件上添加濾波器和抗干擾電路

 

也可使用CAN隔離收發器（集成濾波器和抗干擾電路）。

CAN控制器與MCU的鏈接方式

SJA1000可被視爲外擴RAM，地址寬度8位，最多支持256個寄存器

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

#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)); }

 

 

 

將緩存區的數據連續寫入寄存器

…… for (i=0;i<len;i++) { WriteSJAReg(RegAdr+i,ValueBuf[i]); } ……

將連續多個寄存器連續讀入緩存區

…… for (i=0;i<len;i++) { ReadSJAReg(RegAdr+i,ValueBuf[i]); } ……

 

 

 

頭文件包含方案：

1. 每一個程序包含用到的頭文件
2. 每一個程序包含一個公用頭文件，公用頭文件包含全部其餘頭文件

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

#ifndef __CONFIG_H__ // 防止頭文件被重複包含 #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   // 定義取字節運算 #define LOW_BYTE(x)  (unsigned char)(x) #define HIGH_BYTE(x)  (unsigned char)((unsigned int)(x) >> 8)   // 定義振盪器時鐘和處理器時鐘頻率（用戶能夠根據實際狀況做出調整） #define OSCCLK 11059200UL // 宏定義MCU的時鐘頻率 #define CPUCLK (OSCCLK / 12) #endif // __CONFIG_H__

 

SJA1000上電後處於復位狀態，必須初始化後才能工做。

（1）置位模式寄存器Bit0位進入復位模式；

（2）設置時鐘分頻寄存器選擇時鐘頻率、CAN模式；

（3）設置驗收濾波，設定驗證碼和屏蔽碼；

（4）設置總線定時器寄存器0、1設定CAN波特率；

（5）設置輸出模式；

（6）清零模式寄存器Bit0位退出復位模式；

模式寄存器

 

只檢測模式：SJA1000發送CAN幀時不檢查應答位；

只聽模式：此模式下SJA1000不會發送錯誤幀，用於自動檢測波特率；SJA1000以不一樣的波特率接收CAN幀，當收到CAN幀時，代表當前波特率與總線波特率相同。

波特率設置

CAN總線無時鐘，使用異步串行傳輸；波特率是1秒發送的數據位；

 

CAN幀發送：

發送CAN幀的步驟：1.檢測狀態寄存器，等待發送緩衝區可用；

2.填充報文到發送緩衝區；

3.啓動發送。

 

SJA1000具備一個12字節的緩衝區，要發送的報文能夠經過寄存器16-28寫入，也可經過寄存器96-108寫入或讀出

 

 

 

設置發送模式

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

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

 發送函數

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

unsigned char SJA_CAN_Filter[8] = {    // 定義驗收濾波器的參數，接收全部幀        0x00, 0x00, 0x00, 0x00,                                                 // ACR0~ACR3        0xff, 0xff, 0xff, 0xff                                                          // AMR0~AMR3 }; unsigned char STD_SEND_BUFFER[11] = {   // CAN 發送報文緩衝區        0x08,   // 幀信息，標準數據幀，數據長度 = 8        0xEA, 0x60, // 幀ID = 0x753 0x55, 0x55, 0x55, 0x55, 0xaa, 0xaa, 0xaa, 0xaa  // 幀數據 }; void main( void ) // 主函數，程序入口 {             timerInit(); // 初始化      D1 = 0;             SJA1000_RST = 1; // 硬件復位SJA1000             timerDelay(50); // 延時500ms             SJA1000_RST = 0;             SJA1000_Init(0x00, 0x14, SJA_CAN_Filter);   // 初始化SJA1000，設置波特率爲1Mbps             // 無限循環，main()函數不容許返回            for (;;) {                     SJASendData(STD_SEND_BUFFER, 0x0);                     timerDelay(100);         // 延時1000ms            }     }

 

 

爲何幀ID是0x753，這與CAN幀在緩衝區的存儲格式有關。

 

 

終端電阻很是重要，當波特率較高並且沒加終端電阻時，信號過沖很是嚴重。

 

SJA1000有64個字節的接收緩衝區（FIFO），這能夠下降對MCU的要求。MCU能夠經過查詢或中斷的方式肯定SJA1000接收到報文後讀取報文。

參考資料：《項目驅動-CAN-bus現場總線基礎教程》 廣州周立功單片機科技有限公司