嵌入式CAN總線知識大全之CAN接口器件與CAN協(xié)議應用

嵌入式的工程師一般都知道CAN總線廣泛應用到汽車中，其實船艦電子設備通信也廣泛使用CAN，隨著國家對海防的越來越重視，對CAN的需求也會越來越大。這個暑假，通過參加蘇州社會實踐，去某船舶電氣公司實習幾周，也借此機會，學習了一下CAN總線。

▍概述

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，是一種能夠實現(xiàn)分布式實時控制的串行通信網(wǎng)絡。

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

CAN有很多優(yōu)秀的特點，使得它能夠被廣泛的應用。比如：傳輸速度最高到1Mbps，通信距離最遠到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。

一個典型的CAN應用場景：

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▍CAN總線標準

CAN總線標準只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，需要用戶自定義應用層。不同的CAN標準僅物理層不同。

CAN收發(fā)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IOS11519，兩者差分電平特性不同。

高低電平幅度低，對應的傳輸速度快；

*雙絞線共模消除干擾，是因為電平同時變化，電壓差不變。

物理層

CAN有三種接口器件

多個節(jié)點連接，只要有一個為低電平，總線就為低電平，只有所有節(jié)點輸出高電平時，才為高電平。所謂"線與"。

CAN總線有5個連續(xù)相同位后，就插入一個相反位，產生跳變沿，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，因為電纜的特性阻抗為120Ω，為了模擬無限遠的傳輸線

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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、遠程幀、錯誤幀、過載幀和幀間隔。

數(shù)據(jù)幀用來節(jié)點之間收發(fā)數(shù)據(jù)，是使用最多的幀類型；遠程幀用來接收節(jié)點向發(fā)送節(jié)點接收數(shù)據(jù)；錯誤幀是某節(jié)點發(fā)現(xiàn)幀錯誤時用來向其他節(jié)點通知的幀；過載幀是接收節(jié)點用來向發(fā)送節(jié)點告知自身接收能力的幀；用于將數(shù)據(jù)幀、遠程幀與前面幀隔離的幀。

數(shù)據(jù)幀根據(jù)仲裁段長度不同分為標準幀（2.0A）和擴展幀（2.0B）

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幀起始

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

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(fā)送數(shù)據(jù)的同時監(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，則退出總線競爭；如果位于其他段，則產生錯誤事件。

幀ID越小，優(yōu)先級越高。由于數(shù)據(jù)幀的RTR位為顯性電平，遠程幀為隱性電平，所以幀格式和幀ID相同的情況下，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠程幀；由于標準幀的IDE位為顯性電平，擴展幀的IDE位為隱形電平，對于前11位ID相同的標準幀和擴展幀，標準幀優(yōu)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志位IDE、保留位r0和數(shù)據(jù)長度代碼DLC組成；擴展幀控制段則由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(jié)點接收到的幀起始到CRC段都沒錯誤時，它將在ACK段發(fā)送一個顯性電平，發(fā)送節(jié)點發(fā)送隱性電平，線與結果為顯性電平。

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遠程幀

遠程幀分為6個段，也分為標準幀和擴展幀，且RTR位為1（隱性電平）

CAN是可靠性很高的總線，但是它也有五種錯誤。

CRC錯誤：發(fā)送與接收的CRC值不同發(fā)生該錯誤；

格式錯誤：幀格式不合法發(fā)生該錯誤；

應答錯誤：發(fā)送節(jié)點在ACK階段沒有收到應答信息發(fā)生該錯誤；

位發(fā)送錯誤：發(fā)送節(jié)點在發(fā)送信息時發(fā)現(xiàn)總線電平與發(fā)送電平不符發(fā)生該錯誤；

位填充錯誤：通信線纜上違反通信規(guī)則時發(fā)生該錯誤。

當發(fā)生這五種錯誤之一時，發(fā)送節(jié)點或接受節(jié)點將發(fā)送錯誤幀

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

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過載幀

當某節(jié)點沒有做好接收的"準備"時，將發(fā)送過載幀，以通知發(fā)送節(jié)點。

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幀間隔

用來隔離數(shù)據(jù)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。

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構建CAN節(jié)點

構建節(jié)點，實現(xiàn)相應控制，由底向上分為四個部分：CAN節(jié)點電路、CAN控制器驅動、CAN應用層協(xié)議、CAN節(jié)點應用程序。

雖然不同節(jié)點完成的功能不同，但是都有相同的硬件和軟件結構。

CAN收發(fā)器和控制器分別對應CAN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，完成CAN報文的收發(fā)；功能電路，完成特定的功能，如信號采集或控制外設等；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，它主要完成以下工作：基于寄存器的操作，初始化CAN控制器、發(fā)送CAN報文、接收CAN報文；

如果直接使用CAN硬件驅動，當更換控制器時，需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，能夠屏蔽不同CAN控制器的差異。

一個CAN節(jié)點除了完成通信的功能，還包括一些特定的硬件功能電路，功能電路驅動向下直接控制功能電路，向上為應用層提供控制功能電路函數(shù)接口。特定功能包括信號采集、人機顯示等。

CAN收發(fā)器是實現(xiàn)CAN控制器邏輯電平與CAN總線上差分電平的互換。實現(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，它實現(xiàn)了CAN協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能，能夠自動完成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負責實現(xiàn)對功能電路和CAN控制器的控制：在節(jié)點啟動時，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，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；

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CAN總線網(wǎng)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幀才會存儲到接收緩沖區(qū)。

CAN內核實現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈路的全部協(xié)議。

▍CAN協(xié)議應用層概述

CAN總線只提供可靠的傳輸服務，所以節(jié)點接收報文時，要通過應用層協(xié)議來判斷是誰發(fā)來的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)代表了什么含義。常見的CAN應用層協(xié)議有：CANOpen、DeviceNet、J1939、iCAN等。

CAN應用層協(xié)議驅動是運行在主控制器（如P89V51）上的程序，它按照應用層協(xié)議來對CAN報文進行定義、完成CAN報文的解析與拼裝。例如，我們將幀ID用來表示節(jié)點地址，當接收到的幀ID與自身節(jié)點ID不通過時，就直接丟棄，否則交給上層處理；發(fā)送時，將幀ID設置為接收節(jié)點的地址。

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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CAN收發(fā)器。

同一網(wǎng)絡中要使用相同的CAN收發(fā)器。

CAN連接線上會有很多干擾信號，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RAM，地址寬度8位，最多支持256個寄存器

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

將連續(xù)多個寄存器連續(xù)讀入緩存區(qū)

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

頭文件包含方案：

每個程序包含用到的頭文件
每個程序包含一個公用頭文件，公用頭文件包含所有其他頭文件

#ifndef __CONFIG_H__ // 防止頭文件被重復包含
#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)運算
#define LOW_BYTE(x)  (unsigned char)(x)
#define HIGH_BYTE(x)  (unsigned char)((unsigned int)(x) >> 8)
 // 定義振蕩器時鐘和處理器時鐘頻率（用戶可以根據(jù)實際情況作出調整）
#define OSCCLK 11059200UL
// 宏定義MCU的時鐘頻率
#define CPUCLK (OSCCLK / 12)
#endif?//?__CONFIG_H__

SJA1000上電后處于復位狀態(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(fā)送CAN幀時不檢查應答位；

只聽模式：此模式下SJA1000不會發(fā)送錯誤幀，用于自動檢測波特率；SJA1000以不同的波特率接收CAN幀，當收到CAN幀時，表明當前波特率與總線波特率相同。

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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(fā)送的數(shù)據(jù)位；

CAN幀發(fā)送：

發(fā)送CAN幀的步驟：

1.檢測狀態(tài)寄存器，等待發(fā)送緩沖區(qū)可用；

2.填充報文到發(fā)送緩沖區(qū)；

3.啟動發(fā)送。

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

設置發(fā)送模式

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)

unsigned char SJA_CAN_Filter[8] = {    // 定義驗收濾波器的參數(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)送報文緩沖區(qū)       
0x08,   // 幀信息，標準數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)長度 = 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1000ms      
    }    
}