嵌入式必懂的CAN總線講解

嵌入式的工程師一般都知道CAN總線廣泛應(yīng)用到汽車中，其實(shí)船艦電子設(shè)備通信也廣泛使用CAN，隨著國(guó)家對(duì)海防的越來(lái)越重視，對(duì)CAN的需求也會(huì)越來(lái)越大。

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(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。

想到CAN就要想到德國(guó)的Bosch公司，因?yàn)镃AN就是這個(gè)公司開(kāi)發(fā)的(和Intel)。

CAN有很多優(yōu)秀的特點(diǎn)，使得它能夠被廣泛地應(yīng)用。比如：傳輸速度最高到1Mbps，通信距離最遠(yuǎn)到10km，無(wú)損位仲裁機(jī)制，多主結(jié)構(gòu)。

近些年來(lái)，CAN控制器價(jià)格越來(lái)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(gè)典型的CAN應(yīng)用場(chǎng)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(hào)之間的轉(zhuǎn)換。

將邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換成物理信號(hào)(差分電平)，或者將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成邏輯電平。

CAN標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，即IOS11898和IOS11519，兩者差分電平特性不同。

高低電平幅度低，對(duì)應(yīng)的傳輸速度快;

* 雙絞線共模消除干擾，是因?yàn)殡娖酵瑫r(shí)變化，電壓差不變。

物理層

CAN有三種接口器件：

多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，只要有一個(gè)為低電平，總線就為低電平，只有所有節(jié)點(diǎn)輸出高電平時(shí)，才為高電平。所謂"線與"。

CAN總線有5個(gè)連續(xù)相同位后，就插入一個(gè)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?yàn)殡娎|的特性阻抗為120Ω，為了模擬無(wú)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(cuò)誤幀、過(guò)載幀和幀間隔。

數(shù)據(jù)幀用來(lái)節(jié)點(diǎn)之間收發(fā)數(shù)據(jù)，是使用最多的幀類型;遠(yuǎn)程幀用來(lái)接收節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù);錯(cuò)誤幀是某節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)幀錯(cuò)誤時(shí)用來(lái)向其他節(jié)點(diǎn)通知的幀;過(guò)載幀是接收節(jié)點(diǎn)用來(lái)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)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(gè)顯性位(低電平)組成，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀起始，其他節(jié)點(diǎn)同步于幀起始;

幀結(jié)束由7個(gè)隱形位(高電平)組成。

仲裁段

CAN總線是如何解決多點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)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(shí)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(jìng)爭(zhēng);如果位于其他段，則產(chǎn)生錯(cuò)誤事件。

幀ID越小，優(yōu)先級(jí)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(duì)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(jí)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(zhǎng)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(shí)時(shí)性好，適合汽車和工控領(lǐng)域;

CRC段

CRC校驗(yàn)段由15位CRC值和CRC界定符組成。

ACK段

當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)接收到的幀起始到CRC段都沒(méi)錯(cuò)誤時(shí)，它將在ACK段發(fā)送一個(gè)顯性電平，發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(gè)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(cuò)誤：

CRC錯(cuò)誤：發(fā)送與接收的CRC值不同發(fā)生該錯(cuò)誤;

格式錯(cuò)誤：幀格式不合法發(fā)生該錯(cuò)誤;

應(yīng)答錯(cuò)誤：發(fā)送節(jié)點(diǎn)在ACK階段沒(méi)有收到應(yīng)答信息發(fā)生該錯(cuò)誤;

位發(fā)送錯(cuò)誤：發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息時(shí)發(fā)現(xiàn)總線電平與發(fā)送電平不符發(fā)生該錯(cuò)誤;

位填充錯(cuò)誤：通信線纜上違反通信規(guī)則時(shí)發(fā)生該錯(cuò)誤。

當(dāng)發(fā)生這五種錯(cuò)誤之一時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)或接受節(jié)點(diǎn)將發(fā)送錯(cuò)誤幀。

為防止某些節(jié)點(diǎn)自身出錯(cuò)而一直發(fā)送錯(cuò)誤幀，干擾其他節(jié)點(diǎn)通信，CAN協(xié)議規(guī)定了節(jié)點(diǎn)的3種狀態(tài)及行為。

過(guò)載幀

當(dāng)某節(jié)點(diǎn)沒(méi)有做好接收的"準(zhǔn)備"時(shí)，將發(fā)送過(guò)載幀，以通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)。

幀間隔

用來(lái)隔離數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀與他們前面的幀，錯(cuò)誤幀和過(guò)載幀前面不加幀間隔。

構(gòu)建CAN節(jié)點(diǎn)

構(gòu)建節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制，由底向上分為四個(gè)部分：CAN節(jié)點(diǎn)電路、CAN控制器驅(qū)動(dòng)、CAN應(yīng)用層協(xié)議、CAN節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序。

雖然不同節(jié)點(diǎn)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(duì)應(yīng)CAN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，完成CAN報(bào)文的收發(fā);功能電路，完成特定的功能，如信號(hào)采集或控制外設(shè)等;主控制器與應(yīng)用軟件按照CAN報(bào)文格式解析報(bào)文，完成相應(yīng)控制。

CAN硬件驅(qū)動(dòng)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(bào)文、接收CAN報(bào)文;

如果直接使用CAN硬件驅(qū)動(dòng)，當(dāng)更換控制器時(shí)，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(dòng)層加入虛擬驅(qū)動(dòng)層，能夠屏蔽不同CAN控制器的差異。

一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(hào)采集、人機(jī)顯示等。

CAN收發(fā)器是實(shí)現(xiàn)CAN控制器邏輯電平與CAN總線上差分電平的互換。實(shí)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(shí)現(xiàn)了CAN協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能，能夠自動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)功能電路和CAN控制器的控制：在節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，初始化CAN控制器參數(shù);通過(guò)CAN控制器讀取和發(fā)送CAN幀;在CAN控制器發(fā)生中斷時(shí)，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(hào);

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(chǔ)CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的完整信息。

驗(yàn)收濾波是將存儲(chǔ)的驗(yàn)證碼與CAN報(bào)文識(shí)別碼進(jìn)行比較，跟驗(yàn)證碼匹配的CAN幀才會(huì)存儲(chǔ)到接收緩沖區(qū)。

CAN內(nèi)核實(shí)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(diǎn)接收?qǐng)?bào)文時(shí)，要通過(guò)應(yīng)用層協(xié)議來(lái)判斷是誰(shuí)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)代表了什么含義。常見(jiàn)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(dòng)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(lái)對(duì)CAN報(bào)文進(jìn)行定義、完成CAN報(bào)文的解析與拼裝。例如，我們將幀ID用來(lái)表示節(jié)點(diǎn)地址，當(dāng)接收到的幀ID與自身節(jié)點(diǎn)ID不通過(guò)時(shí)，就直接丟棄，否則交給上層處理;發(fā)送時(shí)，將幀ID設(shè)置為接收節(jié)點(diǎn)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(cuò)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(huì)有很多干擾信號(hào)，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(gè)寄存器

#defineREG_BASE_ADDR0xA000//寄存器基址 unsignedchar*SJA_CS_Point=(unsignedchar*)REG_BASE_ADDR; //寫(xiě)SJA1000寄存器 voidWriteSJAReg(unsignedcharRegAddr,unsignedcharValue) { *(SJA_CS_Point+RegAddr)=Value; return; } //讀SJA1000寄存器 unsignedcharReadSJAReg(unsignedcharRegAddr) { return(*(SJA_CS_Point+RegAddr)); } ? ?將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)連續(xù)寫(xiě)入寄存器：

…… for(i=0;i 將連續(xù)多個(gè)寄存器連續(xù)讀入緩存區(qū)：

…… for(i=0;i ?
頭文件包含方案：
1. 每個(gè)程序包含用到的頭文件
2. 每個(gè)程序包含一個(gè)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 #defineLOW_BYTE(x)(unsignedchar)(x) #defineHIGH_BYTE(x)(unsignedchar)((unsignedint)(x)>>8) //定義振蕩器時(shí)鐘和處理器時(shí)鐘頻率（用戶可以根據(jù)實(shí)際情況作出調(diào)整） #defineOSCCLK11059200UL //宏定義MCU的時(shí)鐘頻率 #defineCPUCLK(OSCCLK/12) #endif//__CONFIG_H__ SJA1000上電后處于復(fù)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(jìn)入復(fù)位模式；
（2）設(shè)置時(shí)鐘分頻寄存器選擇時(shí)鐘頻率、CAN模式；
（3）設(shè)置驗(yàn)收濾波，設(shè)定驗(yàn)證碼和屏蔽碼；
（4）設(shè)置總線定時(shí)器寄存器0、1設(shè)定CAN波特率；
（5）設(shè)置輸出模式；
（6）清零模式寄存器Bit0位退出復(fù)位模式；
模式寄存器 ?
只檢測(cè)模式：SJA1000發(fā)送CAN幀時(shí)不檢查應(yīng)答位；
只聽(tīng)模式：此模式下SJA1000不會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤幀，用于自動(dòng)檢測(cè)波特率；SJA1000以不同的波特率接收CAN幀，當(dāng)收到CAN幀時(shí)，表明當(dāng)前波特率與總線波特率相同。
波特率設(shè)置
CAN總線無(wú)時(shí)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(cè)狀態(tài)寄存器，等待發(fā)送緩沖區(qū)可用；
2.填充報(bào)文到發(fā)送緩沖區(qū)；
3.啟動(dòng)發(fā)送。 ?SJA1000具有一個(gè)12字節(jié)的緩沖區(qū)，要發(fā)送的報(bào)文可以通過(guò)寄存器16-28寫(xiě)入，也可通過(guò)寄存器96-108寫(xiě)入或讀出：設(shè)置發(fā)送模式：

charSetSJASendCmd(unsignedcharcmd) { unsignedcharret; switch(cmd) { default: case0: ret=SetBitMask(REG_CAN_CMR,TR_BIT);//正常發(fā)送 break; case1: ret=SetBitMask(REG_CAN_CMR,TR_BIT|AT_BIT);//單次發(fā)送 break; case2: ret=SetBitMask(REG_CAN_CMR,TR_BIT|SRR_BIT);//自收自發(fā) break; case0xff: ret=SetBitMask(REG_CAN_CMR,AT_BIT);//終止發(fā)送 break; } returnret; } 發(fā)送函數(shù)：

unsignedcharSJA_CAN_Filter[8]= { //定義驗(yàn)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 }; unsignedcharSTD_SEND_BUFFER[11]= { //CAN發(fā)送報(bào)文緩沖區(qū) 0x08,//幀信息，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度=8 0xEA,0x60,//幀ID=0x753 0x55,0x55,0x55,0x55,0xaa,0xaa,0xaa,0xaa//幀數(shù)據(jù) }; voidmain(void)//主函數(shù)，程序入口 { timerInit();//初始化 D1=0; SJA1000_RST=1;//硬件復(fù)位SJA1000 timerDelay(50);//延時(shí)500ms SJA1000_RST=0; SJA1000_Init(0x00,0x14,SJA_CAN_Filter);//初始化SJA1000，設(shè)置波特率為1Mbps //無(wú)限循環(huán)，main()函數(shù)不允許返回 for(;;) { SJASendData(STD_SEND_BUFFER,0x0); timerDelay(100);//延時(shí)1000ms } }
為什么幀ID是0x753，這與CAN幀在緩沖區(qū)的存儲(chǔ)格式有關(guān)。 ? ?終端電阻非常重要，當(dāng)波特率較高而且沒(méi)加終端電阻時(shí)，信號(hào)過(guò)沖非常嚴(yán)重。SJA1000有64個(gè)字節(jié)的接收緩沖區(qū)（FIFO），這可以降低對(duì)MCU的要求。

MCU可以通過(guò)查詢或中斷的方式確定SJA1000接收到報(bào)文后讀取報(bào)文。 審核編輯：湯梓紅