對于現(xiàn)在的嵌入式工程師，一般都知道CAN總線廣泛應(yīng)用到汽車中，但是CAN總線不僅運(yùn)用到汽車上，在船艦電子設(shè)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(xí)幾周，也借此機(jī)會，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)分布式實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。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(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。一個典型的CAN應(yīng)用場景：
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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(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，因為電纜的特性阻抗為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(yuǎn)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)幀(2.0A)和擴(kuò)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;
幀結(jié)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(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(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)，實時性好，適合汽車和工控領(lǐng)域;
CRC段
CRC校驗段由15位CRC值和CRC界定符組成。
ACK段
當(dāng)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(yuǎn)程幀
遠(yuǎn)程幀分為6個段，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(yīng)答錯誤：發(fā)送節(jié)點在ACK階段沒有收到應(yīng)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(dāng)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(dāng)某節(jié)點沒有做好接收的"準(zhǔn)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(yuǎn)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最后一張ppt
構(gòu)建CAN節(jié)點
構(gòu)建節(jié)點，實現(xiàn)相應(yīng)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(yīng)用層協(xié)議、CAN節(jié)點應(yīng)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(yīng)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(shè)等;主控制器與應(yīng)用軟件按照CAN報文格式解析報文，完成相應(yīng)控制。
CAN硬件驅(qū)動是運(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報文、接收CAN報文;
如果直接使用CAN硬件驅(qū)動，當(dāng)更換控制器時，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(yīng)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(jī)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(fù)責(zé)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(luò)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(jìn)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(yīng)用層概述
CAN總線只提供可靠的傳輸服務(wù)，所以節(jié)點接收報文時，要通過應(yīng)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(yīng)用層協(xié)議有： CANOpen、DeviceNet、J1939、iCAN等。
CAN應(yīng)用層協(xié)議驅(qū)動是運(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CAN報文進(jìn)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(dāng)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(shè)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(luò)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(kuò)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 將連續(xù)多個寄存器連續(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(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)
// 定義振蕩器時鐘和處理器時鐘頻率(用戶可以根據(jù)實際情況作出調(diào)整)
#define OSCCLK 11059200UL
// 宏定義MCU的時鐘頻率
#define CPUCLK (OSCCLK / 12)
#endif // __CONFIG_H__
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