RT-Thread上的CAN總線介紹以及驅(qū)動編寫

昨晚很榮幸邀請到李工在RT-Thread微信群進行RT-Thread上的CAN驅(qū)動和應(yīng)用講座。小編整理了講座內(nèi)容，特發(fā)出講義以供享用。

講師：李起偉，任職于煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，助理研究員，碩士，現(xiàn)主要從事嵌入式系統(tǒng)與煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的研究工作

分享主題：RT-Thread上的CAN驅(qū)動和應(yīng)用

大家晚上好，今天跟大家探討一下RTT上的CAN驅(qū)動和應(yīng)用相關(guān)一些內(nèi)容，主要有三個方面，第一項介紹一下CAN總線的基礎(chǔ)知識，主要是一些幀格式的介紹。第二項是RTT上的CAN驅(qū)動的一個編寫，這部分內(nèi)容主要介紹一些CAN設(shè)備的讀和寫以及中斷處理函數(shù)的驅(qū)動編寫，中斷處理函數(shù)主要說一下接收部分的處理。最后一項就是介紹一下CAN數(shù)據(jù)的處理現(xiàn)場的編寫，整個內(nèi)容都寫得比較淺，然后在咱們這個探討內(nèi)容結(jié)束之后，我給大家發(fā)一個CAN總線的基礎(chǔ)教程，然后另外我寫的這部分驅(qū)動包括處理現(xiàn)場也是我在實際產(chǎn)品當(dāng)中應(yīng)用的，隨后我把這部分內(nèi)容的代碼然后整理一下，之后也放出來。

我們就開始第一部分的內(nèi)容，，說一下CAN的這個特性吧，在這個CAN的介紹當(dāng)中會有跟這個modbus總線會有一些簡單的對比，那么CAN總線它是一個多主站的結(jié)構(gòu)，在總線上掛的這個所有的節(jié)點，他們的節(jié)點地位都是平等的，就是所有的節(jié)點都可以向總線當(dāng)中主動地發(fā)送數(shù)據(jù)，不需要等待其他的節(jié)點的就是跟他發(fā)命令說我才可以往上發(fā)，這一點是跟modbus的區(qū)別，就是說modbus總線，他是一主多從的，在總線上只有一個主節(jié)點，其他節(jié)點都是從機，從機只能被動地根據(jù)主機的命令做出相應(yīng)的回復(fù)或者是動作，當(dāng)然這些節(jié)點再往總線上發(fā)送數(shù)據(jù)的時候會有一個優(yōu)先級的問題。

在CAN總線當(dāng)中，它有一個種CAN總線仲裁的機制，它主要是通過報文ID來實現(xiàn)的，那么在CAN總線當(dāng)中執(zhí)行的是“線與”操作，0是屬于顯性電平，1是隱性電平。這樣的話進行限于之后報名ID越小，那么他在總線競爭當(dāng)中優(yōu)先級也就越高，報文ID或者說是這個標(biāo)識符與這個節(jié)點的ID或者節(jié)點序號，這是兩個完全不同的概念，就是在這個報名ID當(dāng)中其實可以包，因為它在擴展的幀當(dāng)中有29位，可以包含很多有意義的內(nèi)容，你都可以幫放在這個標(biāo)識符當(dāng)中。

在這個標(biāo)識符當(dāng)中，我們可以把發(fā)送節(jié)點的序號類型、接受節(jié)點的序號類型甚至安裝位置等一系列信息都包含在那里，所以說標(biāo)識符它在一定程度上就描述數(shù)據(jù)的含義，這樣的話就在某些特定應(yīng)用當(dāng)中可以對標(biāo)識符進行過濾，就是說我需要的我才接受，不需要的我就可以過濾掉，然后這樣的話CPU呢不需要進行參與一些操作，完全由CAN控制器就可以完成了。

modbus總線一些協(xié)議棧也可以對報文進行過濾，但是這是需要CPU進行參與的，這樣的話就會占用CPU，也就是說當(dāng)modbus總線上有數(shù)據(jù)的時候，所有節(jié)點都是要參與的，這樣的話一旦modbus總線上有數(shù)據(jù)，所有的節(jié)點當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)都會被打斷，所以這樣的話也是CAN總線跟modbus總線的區(qū)別，或者是一點優(yōu)勢吧。

因為CAN總線是是一種差分電平，所以它使用那個雙絞線作為它的總線傳輸介質(zhì)，在1Mbps的情況下，總線長度一般會小于40米，我們看這個U線這張圖，從現(xiàn)在傳輸速率跟它的傳輸距離在一定程度上是成反比例關(guān)系的，而我們在實際應(yīng)用當(dāng)中，曾經(jīng)做到過在5Kbps的情況下達(dá)到了7到8公里，而且還是一種多分叉多分枝這種結(jié)構(gòu)?？偩€結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而不是我們通常見的一條總線或母線，節(jié)點都單獨的掛在這個總線路線上，在實際運用當(dāng)中，這種情況其實很少見。

說一下CAN協(xié)議的版本，那么目前主要就是2.0B，是可以兼容11位和29位兩種ID的報文，就是說標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀都可以兼容，具體的協(xié)議內(nèi)容大家可以去查閱一下相關(guān)的文檔，這里就不再多說。

CAN總線當(dāng)中主要的幀格式主要數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程偵。數(shù)據(jù)幀也分兩種，就是標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀，遠(yuǎn)程偵同樣有對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀。

對這兩種幀格式來簡單地介紹一下，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀主要區(qū)別就是在幀ID的位數(shù)上，標(biāo)準(zhǔn)幀是11位ID，擴展幀是29位ID。我們看標(biāo)準(zhǔn)幀，它有一個隱性電平幀起始，之后是11位的幀ID，然后是一個RTR位，RTR位的意思是什么呢？遠(yuǎn)程傳送請求位，那這位是0就是數(shù)據(jù)幀,1的話就代表遠(yuǎn)程幀，顯性電平，也就是說數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級要高于遠(yuǎn)程幀，那么在進行總線仲裁的時候，數(shù)據(jù)幀獲得總線的控制權(quán)。用來區(qū)別標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀的這位叫做標(biāo)識符擴展位。0代表標(biāo)準(zhǔn)幀，1代表擴展幀。這樣的話，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀在進行爭奪總線的時候，那肯定是標(biāo)準(zhǔn)幀獲得總線控制權(quán)。

DLC位代表數(shù)據(jù)長度，一共四位，有效值是0—8，9到15沒有效，他代表數(shù)據(jù)場，指后面的數(shù)據(jù)場里面一共有多少個字節(jié)能夠被傳送。再然后是15位CRC位，因為這個CRC校驗的起始是從幀開始一直到數(shù)據(jù)場的結(jié)束，整個這一串的位數(shù)參加這個CRC校驗。CRC檢驗完事之后是一個DR位，這位叫做CRC界定服務(wù)，到這里就表示CRC校驗完事了，后面就是應(yīng)答場。對于我們這個用戶來說，在實際的編程應(yīng)用當(dāng)中，我們用戶一般的需要做的其實是仲裁場以及控制場和數(shù)據(jù)場，上其他的CRC場場、ASK場均結(jié)束。一般不需要用戶進行參與，這些都是由CAN控制器來自動完成的。

我們再來看擴展幀。擴展幀首先前面的11位幀ID先不，后面看RTR位后面。SR位與RTR位是在同一個位置上，RTR位叫做遠(yuǎn)程傳送請求位，SR位叫做遠(yuǎn)程請求替代位，后面的部分就跟標(biāo)準(zhǔn)一樣，這個就不再多。真正的RRT位被移送到了29位的幀ID的后面，那么SR位或者是RTR位在標(biāo)準(zhǔn)幀或者是在擴展幀當(dāng)中，它也有高電平還是低電平。那么在標(biāo)準(zhǔn)幀當(dāng)中同樣的位RTR一定是顯性電平，而在擴展幀當(dāng)中這個一定是隱性電平。

再一下，遠(yuǎn)程幀。遠(yuǎn)程幀同樣分為兩種，就是根據(jù)這ID的位數(shù)不同，分為標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程幀和擴展遠(yuǎn)程幀，我們看一下圖上的這個RTR位，在這他就是一個隱形電平，就明他是一個遠(yuǎn)程幀， 遠(yuǎn)程偵和數(shù)據(jù)幀的主要區(qū)別就是在于除了這個RTR位之外，還有一個區(qū)別遠(yuǎn)程幀沒有數(shù)據(jù)場，是不帶數(shù)據(jù)的。

遠(yuǎn)程偵在總線的主要作用是什么呢？就是我們知道CAN總線是多主的，就是大家都是平等的，向總線上各自發(fā)送數(shù)據(jù)，這個就像我們在微信群里聊天一樣，有人一直往這個群體方式發(fā)送一些消息。但是假如其中有人覺得你發(fā)送的消息不是我想要的，或者不滿足我的要求那么怎么辦呢？我就會主動給你請求數(shù)據(jù)，那么我就向你發(fā)送這個遠(yuǎn)程偵那。至于你向誰請求數(shù)據(jù)、請求的是什么數(shù)據(jù)，那我可以都可以包含在幀ID當(dāng)中，而且也只能包含在幀ID當(dāng)中，因為這個遠(yuǎn)程偵當(dāng)中他沒有數(shù)據(jù)場，你所有的數(shù)據(jù)的意義只能在幀I當(dāng)中，也基本上就相當(dāng)于你的那個數(shù)據(jù)的個性化定制吧。

在這點與modbus的0X03和0X06呢比較類似，相當(dāng)于取多個或單個寄存器的數(shù)據(jù)命令，指主動的索取數(shù)據(jù)。這條命令，舉一個應(yīng)用的場合吧。比方在火災(zāi)預(yù)警的場合，一般現(xiàn)實的過程當(dāng)中鑒定火災(zāi)的幾個要素：一個是溫度，一個是煙霧，另外一個是一氧化碳的濃度。煙霧傳感器、一氧化碳傳感器還有溫度傳感器，他們都是同樣掛在一條CAN主線當(dāng)中，假如現(xiàn)在監(jiān)測到煙霧傳感器煙霧濃度變大了，但是我們知道目前的煙霧傳感器有一個最大問題對水蒸氣特別敏感，即使水蒸氣濃度很高，煙霧傳感器就會誤報警。那么為了確認(rèn)當(dāng)前確實是煙霧傳感器誤報警，還是確實發(fā)生了火災(zāi)，那么我們就要及時看到當(dāng)前一氧化碳的濃度以及溫度的情況。這時候我可以主動發(fā)送一個遠(yuǎn)程偵來索取一氧化碳傳感器的數(shù)據(jù)以及溫度傳感器的數(shù)據(jù)，通過這幾個傳感器的數(shù)據(jù)進行綜合的比較，或者是按照一定的算法，我們就可以知道現(xiàn)在是否確實發(fā)生了火災(zāi)，還是煙霧傳感器進行了誤報警。這樣就可以防止一些不必要的誤報警，因為誤報警會有很多的問題。關(guān)于CAN的幀格式的一些介紹就簡單介紹到這里。

下面就進入到RT-Thread上的CAN驅(qū)動的編寫部分，一些剛接觸到RTT的一些朋友，可能覺得這個學(xué)這個驅(qū)動比較困難，或者是不知道無從下手。

其實你看一下就是RTT上面現(xiàn)有的一些設(shè)備的驅(qū)動，比方串口的、SPI的等等一些現(xiàn)有設(shè)備的驅(qū)動，仔細(xì)揣摩一下，自帶這個驅(qū)動都寫得很規(guī)范，大家可以完全可以借鑒和模仿，那么這個驅(qū)動其實主要實現(xiàn)在這個圖片上列出來這七個函數(shù)，我們能把這些函數(shù)都實現(xiàn)了，并且把設(shè)備注冊到這個系統(tǒng)內(nèi)核當(dāng)中，這個設(shè)備的驅(qū)動也就基本完成。我今天講的這個CAN的驅(qū)動是在1.2.3版本的串口驅(qū)動上改寫的，當(dāng)時的這個串口驅(qū)動跟現(xiàn)在還是有很大區(qū)別的，一會大家可以看一下。