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?qū)崿F(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(jié)構(gòu)。
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?,F(xiàn)在每一輛汽車上都裝有CAN總線。
▍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(zhuǎn)換。
將邏輯信號轉(zhuǎn)換成物理信號(差分電平),或者將物理信號轉(zhuǎn)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。
*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
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(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。
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
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)
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;
仲裁段
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(chǎn)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(jié)構(gòu),實時性好,適合汽車和工控領域;
CRC段
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(jié)果為顯性電平。
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)
CRC錯誤:發(fā)送與接收的CRC值不同發(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
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。
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。
構(gòu)建CAN節(jié)點
構(gòu)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(qū)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(jié)構(gòu)。
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(qū)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(qū)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(qū)動層加入虛擬驅(qū)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(qū)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(nèi)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(qū)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。
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)。
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
unsigned char *SJA_CS_Point = (unsigned char *) REG_BASE_ADDR ;
void WriteSJAReg(unsigned char RegAddr, unsigned char Value) {
*(SJA_CS_Point + RegAddr) = Value;
return;
}
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]);
}
……
-
-
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__
#define __CONFIG_H__
#include <8051.h> // 包含80C51寄存器定義頭文件
#include "SJA1000REG.h"
#define LOW_BYTE(x) (unsigned char)(x)
#define HIGH_BYTE(x) (unsigned char)((unsigned int)(x) >> 8)
#define OSCCLK 11059200UL
#define CPUCLK (OSCCLK / 12)
#endif?
SJA1000上電后處于復位狀態(tài),必須初始化后才能工作。
(2)設置時鐘分頻寄存器選擇時鐘頻率、CAN模式;
(4)設置總線定時器寄存器0、1設定CAN波特率;
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。
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:
1.檢測狀態(tài)寄存器,等待發(fā)送緩沖區(qū)可用;
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
char SetSJASendCmd(unsigned char cmd) {
unsigned char ret;
switch (cmd) {
default:
case 0:
ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT);
break;
case 1:
ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT|AT_BIT);
break;
case 2:
ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT|SRR_BIT);
break;
case 0xff:
ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, AT_BIT);
break;
}
return ret;
}
unsigned char SJA_CAN_Filter[8] = {
0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
0xff, 0xff, 0xff, 0xff
};
unsigned char STD_SEND_BUFFER[11] = {
0x08,
0xEA, 0x60,
0x55, 0x55, 0x55, 0x55, 0xaa, 0xaa, 0xaa, 0xaa
};
void main(void)
{
timerInit();
D1 = 0;
SJA1000_RST = 1;
timerDelay(50);
SJA1000_RST = 0;
SJA1000_Init(0x00, 0x14, SJA_CAN_Filter);
for(;;) {
SJASendData(STD_SEND_BUFFER, 0x0);
timerDelay(100);
}
}
為什么幀ID是0x753,這與CAN幀在緩沖區(qū)的存儲格式有關(guān)。
終端電阻非常重要,當波特率較高而且沒加終端電阻時,信號過沖非常嚴重。
SJA1000有64個字節(jié)的接收緩沖區(qū)(FIFO),這可以降低對MCU的要求。MCU可以通過查詢或中斷的方式確定SJA1000接收到報文后讀取報文。
-END-
參考資料 | 《項目驅(qū)動-CAN-bus現(xiàn)場總線基礎教程》
廣州周立功單片機科技有限公司原文
出處 | http://www.cnblogs.com/jacklu/p/4729638.html
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【2】工業(yè)項目,用MCU還是PLC?
【3】為什么嵌入式工程師會對8位MCU有誤解?
【4】RGB 接口和 MCU 接口有什么不一樣?
【5】8位微控制器(MCU)的隱形成本