描述

我學習 CAN 已經三周了，現在我已經完成了一些申請來驗證我的學習成果。在本教程中，您將學習如何使用 Arduino 實現 CANBUS 通信。如果您有什么建議，歡迎留言。

什么是 CANBUS

關于 CAN

CAN（Controller Area Network）是一種可以實現分布式實時控制的串行通信網絡。它是為汽車行業開發的，用兩線總線代替復雜的線束。

CAN 協議定義了 OSI 模型中的數據鏈路層和部分物理層。

CAN 協議采用 ISO11898 和 ISO11519 進行 ISO 標準化。ISO11898是CAN高速通信標準，通信速度為125kbps-1Mbps。ISO11519是CAN低速通信標準，通信速度小于125kbps。

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這里我們重點介紹高速CAN。

• ISO-11898 描述了信息如何在網絡上的設備之間傳遞，并符合按層定義的開放系統互連模型 (OSI)。通過物理介質連接的設備之間的實際通信由模型的物理層定義。

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• 每個連接到總線的 CAN 單元都可以稱為一個節點。所有 CAN 單元都連接到每端用 120 Ω 電阻端接的總線以形成網絡。總線由 CAN_H 和 CAN_L 線組成。CAN 控制器根據兩根電線上的功率電平差異確定總線電平。總線級別分為顯性和隱性級別，必須是其中之一。發送方通過在總線級別進行更改將消息發送給接收方。當在總線上執行邏輯線“與”時，顯性電平為“0”，隱性電平為“1”。
• 在顯性狀態下，CAN_H的電壓約為3.5V，CAN_L的電壓約為1.5V。在隱性狀態下，兩條線的電壓都在2.5V左右。
• 信號是差分的，這就是 CAN 具有強大的抗噪能力和容錯能力的原因。平衡的差分信號減少了噪聲耦合，并允許通過雙絞線電纜實現高信號速率。每條信號線中的電流相等，但方向相反，從而產生場消除效應，這是低噪聲發射的關鍵。平衡差分接收器和雙絞線電纜的使用增強了 CAN 總線的共模抑制和高抗噪能力。

CAN收發器

CAN Transceiver 負責邏輯電平和物理信號之間的轉換。將邏輯信號轉換為差分電平或將物理信號轉換為邏輯電平。

CAN控制器

CAN控制器是CAN的核心部件，實現了CAN協議中數據鏈路層的所有功能，可以自動解析CAN協議。

單片機

MCU負責功能電路和CAN控制器的控制。例如節點啟動時初始化CAN控制器參數，通過CAN控制器讀取并發送CAN幀等。

關于 CAN 通訊

當總線空閑時，所有節點都可以開始發送消息（多主機控制）。首先訪問總線的節點獲得發送權（CSMA/CA 模式）。當多個節點同時開始發送時，發送高優先級ID消息的節點獲得發送權。

在 CAN 協議中，所有消息都以固定格式發送。當總線空閑時，所有連接到總線的單元都可以開始發送新消息。當兩個以上的小區同時開始發送消息時，根據標識符確定優先級。ID不代表發送的目的地址，而是代表消息訪問總線的優先級。當兩個以上的cell同時開始發送消息時，免息ID的每一位都會被一一仲裁。仲裁獲勝的單元可以繼續發送消息，仲裁失敗的單元立即停止發送并接收工作。

CAN 總線是一種廣播型總線。這意味著所有節點都可以“聽到”所有傳輸。所有節點總是會接收所有流量。CAN 硬件提供本地過濾，以便每個節點只對感興趣的消息做出反應。

?框架

CAN 設備通過 CAN 網絡以稱為幀的數據包形式發送數據。CAN 有四種幀類型：

• 數據幀：包含用于傳輸的節點數據的幀
• 遠程幀：請求傳輸特定標識符的幀
• 錯誤幀：任何節點檢測到錯誤時發送的幀
• 過載幀：在數據或遠程幀之間注入延遲的幀

數據框

有兩種類型的數據幀，標準的和擴展的。

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圖中位域的含義是：

• SOF – 單個顯性幀開始 (SOF) 位標記消息的開始，用于在空閑后同步總線上的節點。
• 標識符- 標準 CAN 11 位標識符確定消息的優先級。二進制值越低，其優先級越高。
• RTR – 單個遠程傳輸請求 (RTR) 位
• IDE – 顯性單一標識符擴展 (IDE) 位意味著正在傳輸沒有擴展的標準 CAN 標識符。
• R0 – 保留位（供未來標準修訂可能使用）。
• DLC – 4 位數據長度代碼 (DLC) 包含正在傳輸的數據字節數。
• 數據——最多可傳輸 64 位應用數據。
• CRC – 16 位（15 位加上定界符）循環冗余校驗 (CRC) 包含用于錯誤檢測的前面應用數據的校驗和（傳輸的位數）。
• ACK –ACK 是 2 位，一個是確認位，第二個是分隔符。
• EOF——這個幀結束 (EOF)，7 位字段標記 CAN 幀（消息）的結束并禁用位填充，在顯性時指示填充錯誤。在正常操作過程中，當連續出現 5 位相同邏輯電平時，會將相反邏輯電平的位填充到數據中。
• IFS——這個 7 位幀間空間 (IFS) 包含控制器將正確接收的幀移動到消息緩沖區中的適當位置所需的時間。

仲裁

在總線空閑狀態下，首先開始發送消息的單元獲得發送權。當多個單元同時開始發送時，每個發送單元從仲裁段的第一位開始。連續輸出顯性電平數最多的單元可以繼續發送。

速度和距離

CAN總線是同時連接多個單元的總線。理論上可以連接的單元總數沒有限制。然而，在實踐中，可以連接的單元數量受到總線上的時間延遲和電氣負載的限制。降低通訊速度，增加可連接的單元數，提高通訊速度，可連接的單元數減少。

通信距離與通信速度成反比，通信距離越遠，通信速度越小。更長的距離可以是1km或更長，但速度小于40kps。

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硬件

Maduino Zero CAN-BUS 模塊是Makerfabs 開發的CANbus 通訊工具，它基于Arduino，帶有CAN 控制器和CAN 收發器，創建一個即用型CAN-bus 端口。

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• MCP2515 是一款實現 CAN 規范的獨立 CAN 控制器。它能夠發送和接收標準和擴展數據以及遠程幀。
• MAX3051 是 CAN 協議控制器和控制器局域網 (CAN) 中總線物理線之間的接口。MAX3051為總線提供差分發送能力，為CAN控制器提供差分接收能力。

聯系

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用電線將 DHT11 模塊連接到 Maduino Zero CAN-BUS 模塊，用作支持 CAN 通信的儀器。同樣，將顯示器連接到模塊以接收數據并顯示。

Maduino Zero CANBUS與DHT11的連接：

Maduino Zero CANBUS -- DHT11
3v3 ------ VCC
GND ------ GND
D10 ------ DATA

Maduino Zero CANBUS與OLED的連接：

Maduino Zero CANBUS -- OLED
3v3 ------ VCC
GND ------ GND
SCL ------ SCL
SDA ------ SDA

使用 DB9 電纜連接兩個 Maduino Zero CANBUS 模塊。

代碼

MAX3051完成差分電平到邏輯信號的轉換。MCP2515完成數據編解碼等CAN功能。MCU只需要初始化控制器和發送和接收數據。

• Github：https://github.com/Makerfabs/Maduino-CANbus-RS485...
• 安裝 Arduino 后，沒有包支持需要安裝的板子（Arduino 零）。
• 選擇工具 -> Board -> Board Manager，搜索“Arduino zero”并安裝“Arduino SAMD Boards”。
• 選擇 Tools -> Board -> Arduino Zero (Native USB Port)，選擇 Tools -> Port -> com…
• 從 GitHub 獲取程序后，需要確保所有文件都在項目目錄下，其中包含支持 CANBUS 的庫文件。
• 安裝 Adafruit 的 DHT 傳感器庫，用于驅動 DHT11 獲取溫度和濕度。
• 在代碼Test_DHT11.ino中使用不同的地址分別發送溫度和濕度。

CAN.sendMsgBuf(0x10, 0, stmp1.length(), stmp_send1);
delay(500);
CAN.sendMsgBuf(0x11, 0, stmp2.length(), stmp_send2);
delay(500);

“0x10”表示消息ID，“0”表示標準幀，“stmp1.length()”表示消息長度，“stmp_send1”表示發送的數據。

• 在代碼Test_OLED.ino中，通過查詢接收 CANBUS 上的所有消息，并將所需信息顯示在 OLED 上。
• 將程序Maduino-CANbus-RS485/Test_DHT11_OLED/Test_DHT11/Test_DHT11.ino上傳到與傳感器相連的模塊，并將程序Maduino-CANbus RS485/Test_DHT11_OLED/Test_OLED/Test_OLED.ino 上傳到另一個與 OLED 相連的模塊。

節目

給兩個模塊上電，顯示屏上會顯示溫度和濕度。

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