CAN總線通信報(bào)文驗(yàn)收濾波、位定時(shí)與同步詳解

CAN（Controller Area NetWork）總線，即控制器局域網(wǎng)總線，是由德國(guó)Bosch公司于1982年開(kāi)發(fā)和推出的最早用于汽車(chē)內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。在20多年的歷史中，CAN總線在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，是到目前為止唯一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN現(xiàn)場(chǎng)總線按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO提出的“開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）”參考模式，實(shí)現(xiàn)其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。CAN控制器用來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議。本文主要對(duì)CAN總線通信報(bào)文驗(yàn)收濾波、位定時(shí)與同步做了詳細(xì)介紹，具體的跟隨小編一起來(lái)了解一下。

一、CAN總線通信報(bào)文驗(yàn)收濾波

1、驗(yàn)收濾波器的特點(diǎn)和功能

1）驗(yàn)收濾波器的特點(diǎn)

LPC2000系列ARM微控制器是采用ARM7TDMI-S內(nèi)核的32位嵌入式微處理器，內(nèi)嵌2路或4路CAN控制器和驗(yàn)收濾波器。驗(yàn)收濾波器為CAN控制器提供全局的報(bào)文標(biāo)識(shí)過(guò)濾功能。它包含一個(gè)512×32（2 KB）的RAM，在這2 KB的RAM中可以設(shè)置1～5個(gè)報(bào)文標(biāo)識(shí)符表，形成一個(gè)查找表LUT（LookUp Table）。整個(gè)查找表可以容納1024個(gè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符或512個(gè)擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符，或兩種混合類(lèi)型的標(biāo)識(shí)符。5個(gè)可能的標(biāo)識(shí)符表格包括FullCAN的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符表和獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符表、標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符范圍表、獨(dú)立擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符表以及擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符范圍表。這5個(gè)表格不是必須同時(shí)存在，可以根據(jù)需要裁減。如果一個(gè)表格的起始地址等于下一個(gè)表格的起始地址或表格終止寄存器的數(shù)值，則該表格為空，在處理中將被忽略。

2）驗(yàn)收濾波器的功能

LPC2000系列ARM微控制器的CAN驗(yàn)收濾波器有2種工作模式：一種是一般模式；另一種被稱(chēng)為“FullCAN模式”。在一般模式下，當(dāng) CAN控制器的接收端收到一個(gè)完整的標(biāo)識(shí)符時(shí)，它將通知接收驗(yàn)收濾波器。驗(yàn)收濾波器響應(yīng)這個(gè)信號(hào)，讀出CAN控制器編號(hào)和標(biāo)識(shí)符大?。?biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符11位或擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符29位）；然后搜索LUT，查找匹配的標(biāo)識(shí)符。如果找到匹配的標(biāo)識(shí)符，則通知CAN控制器將接收的報(bào)文放入CAN控制器接收緩沖中；否則，放棄接收到的這一幀信息。其工作流程如圖1所示。

如果使能FullCAN模式，且CAN控制器報(bào)告產(chǎn)生的是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符，則驗(yàn)收過(guò)濾器首先查詢(xún)FullCAN標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符表，然后在FullCAN模式下處理接收。如果在FullCAN標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符表中沒(méi)有找到匹配的ID，則依次查找下一個(gè)存在的表格，直到找到匹配者或查找表結(jié)束。一旦發(fā)現(xiàn)匹配的ID，就將接收到的報(bào)文放入特定的報(bào)文緩沖中而不是CAN控制器接收緩沖中，這個(gè)特定的緩沖位于驗(yàn)收濾波器的RAM中，而且是在LUT的最后部分。CPU可以在任何時(shí)候讀取接收到的報(bào)文。FullCAN模式的接收工作流程如圖2所示。

2、驗(yàn)收濾波器的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

2.1、驗(yàn)收濾波器寄存器描述

以LPC2292為例說(shuō)明其驗(yàn)收濾波器驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。在LPC2292中內(nèi)嵌2路CAN控制器，它的驗(yàn)收濾波器寄存器如表1所列。注意：這里的起始地址是以驗(yàn)收濾波器RAM的起始地址為基本地址的偏移。如在一般模式下，SFF_sa=O表示獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)幀標(biāo)識(shí)符的起始地址位于0xE0038000 處。

一個(gè)表格的大小由其前后2個(gè)表格起始地址寄存器的差值決定。例如，SFF_GRP_sa-SFF_sa為獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)幀標(biāo)識(shí)符查找表格大小。若其值為0，即SFF_GRP_sa=SFF_sa，則獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)幀標(biāo)識(shí)符查找表格大小為0，在查找時(shí)此表格將被忽略。查找表結(jié)束寄存器ENDofTable代表查找表結(jié)束地址，ENDofTable-EFF_GRP_sa為擴(kuò)展幀組標(biāo)識(shí)符查找表大小。驗(yàn)收濾波器寄存器AFMR控制其工作模式，具體定義如表2所列。

2.2、查找表中標(biāo)識(shí)符格式

①FullCAN的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符表和獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符表。

要注意的是，每個(gè)FullCAN的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符表和獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符表都必須按升序排列，即標(biāo)識(shí)符1大于標(biāo)識(shí)符O；否則，在AF中將引起表格錯(cuò)誤而使接收過(guò)濾失敗。表格格式如下：

②標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符范圍表。標(biāo)識(shí)符上邊界和下邊界（包括上下邊界）之間的ID為允許通過(guò)ID。表格格式如下：

③獨(dú)立擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符表。1個(gè)獨(dú)立擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符占1個(gè)字，而且需要按升序排列。表格格式如下：

④擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符范圍表。它總是成對(duì)出現(xiàn)，占用2個(gè)字，因此合法的表格必須以偶數(shù)個(gè)字出現(xiàn)，而且必須按升序排列。表格格式如下：

2.3、驗(yàn)收濾波器驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

根據(jù)以上說(shuō)明，就可以設(shè)計(jì)驗(yàn)收濾波器的驅(qū)動(dòng)程序了。以LPC2292為例來(lái)說(shuō)明如何設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序。

假定獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符有ID0和ID1兩個(gè)，依次按升序排列，組標(biāo)準(zhǔn)幀標(biāo)識(shí)符范圍為ID2～I(xiàn)D3（ID2www．mesnet．com．cn--編者注）

3、結(jié)論

LPC2000系列ARM微控制器的CAN驗(yàn)收濾波器能夠有效地屏蔽總線上不允許通過(guò)的報(bào)文，大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，在以CAN總線為通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中發(fā)揮了很大的作用。

二、CAN總線位定時(shí)和同步詳解

CAN（Controller Area Network）是有效支持分布式實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。從位定時(shí)的同步方式考慮，它實(shí)質(zhì)上屬于異步通訊協(xié)議，每傳輸一幀，以幀起始位開(kāi)始，而以幀結(jié)束及隨后的間歇場(chǎng)結(jié)束。這就要求收/發(fā)雙方從幀起始位開(kāi)始必須保持幀內(nèi)信息代碼中的每一位嚴(yán)格的同步。從位定時(shí)編碼考慮，它采用的是非歸零編碼方式，位流傳輸不像差分碼那樣可以直接用電平的變化來(lái)代表同步信號(hào)，因此為保證同步質(zhì)量，CAN協(xié)議定義了自己的位同步方式：硬同步和重同步。

1、位周期的結(jié)構(gòu)

2、同步機(jī)制

CAN總線的位同步只有在節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到“隱性位”（邏輯1）到“顯性位”（邏輯0）的跳變時(shí)才會(huì)產(chǎn)生，當(dāng)跳變沿不位于位周期的同步段之內(nèi)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生相位誤差。該相位誤差就是跳變沿與同步段結(jié)束位置之間的距離。如果跳變沿發(fā)生在同步段之后采樣點(diǎn)之前為正的相位誤差；如果跳變沿位于同步段之前采樣點(diǎn)之后為負(fù)的相位誤差。相位誤差源于節(jié)點(diǎn)的振蕩器漂移，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的傳播延遲以及噪聲干擾等。CAN協(xié)議規(guī)定了兩種類(lèi)型的同步：硬同步和重同步。

2.1、硬同步

硬同步只在總線空閑時(shí)通過(guò)一個(gè)下降沿（幀起始）來(lái)完成，此時(shí)不管有沒(méi)有相位誤差，所有節(jié)點(diǎn)的位時(shí)間重新開(kāi)始。強(qiáng)迫引起硬同步的跳變沿位于重新開(kāi)始的位時(shí)間的同步段之內(nèi)。

2.2、重同步

在消息幀的隨后位中，每當(dāng)有從“隱性位”到“顯性位”的跳變，并且該跳變落在了同步段之外，就會(huì)引起一次重同步。重同步機(jī)制可以根據(jù)跳變沿增長(zhǎng)或者縮短位時(shí)間以調(diào)整采樣點(diǎn)的位置，保證正確采樣。

如圖2，跳變沿落在了同步段之后采樣點(diǎn)之前，為正的相位誤差，接收器會(huì)認(rèn)為這是一個(gè)慢速發(fā)送器發(fā)送的滯后邊沿。此時(shí)節(jié)點(diǎn)為了匹配發(fā)送器的時(shí)間，會(huì)增長(zhǎng)自己的相位緩沖段1（陰影部分）。增長(zhǎng)的時(shí)間為相位差的絕對(duì)值，但是上限是重同步跳轉(zhuǎn)寬度SJW。

如圖3，跳變沿落在了采樣點(diǎn)之后同步段之前，為負(fù)的相位誤差，接收器把它解釋為一個(gè)快速發(fā)送器發(fā)送的下一個(gè)位周期的提前邊沿。同樣節(jié)點(diǎn)為了匹配發(fā)送器的時(shí)間，會(huì)縮短自己的相位緩沖段2（陰影部分），下一個(gè)位時(shí)間立即開(kāi)始?？s短的時(shí)間也為相位差的絕對(duì)值，上限是重同步跳轉(zhuǎn)寬度SJW。

相位緩沖段只在當(dāng)前位周期內(nèi)被增長(zhǎng)或者縮短，接下來(lái)的位周期，只要沒(méi)有重同步，各段將恢復(fù)為位時(shí)間的編程預(yù)設(shè)值。

當(dāng)相位差的絕對(duì)值小于或者等于重同步跳轉(zhuǎn)寬度SJW時(shí)，重同步和硬同步的效果是相同的，能實(shí)現(xiàn)相位差的補(bǔ)償；但是如果相位差的絕對(duì)值比重同步跳轉(zhuǎn)寬度大，由于補(bǔ)償?shù)淖畲笾凳侵赝教D(zhuǎn)寬度，致使重同步不能完全補(bǔ)償相位差。

CAN協(xié)議的位填充機(jī)制除實(shí)現(xiàn)仲裁場(chǎng)，控制場(chǎng)，數(shù)據(jù)場(chǎng)和CRC序列的數(shù)據(jù)的透明性外，還增加了從“隱性位”到“顯性位”跳變的機(jī)會(huì)，也就是增多重同步的數(shù)量，提高同步質(zhì)量。在沒(méi)有出錯(cuò)影響的情況下，位填充原則保證了兩次重同步跳轉(zhuǎn)邊沿之間不會(huì)多于10個(gè)位周期（即5個(gè)顯性位，5個(gè)隱性位），而實(shí)際的系統(tǒng)會(huì)有錯(cuò)誤發(fā)生，使得實(shí)際的兩次重同步跳轉(zhuǎn)邊沿之間的間隔可能為17到23個(gè)位時(shí)間（活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志及其疊加6到12個(gè)位時(shí)間，錯(cuò)誤界定符8個(gè)位時(shí)間，間歇場(chǎng)3個(gè)位時(shí)間）。

3、結(jié)論

在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，用戶(hù)可以根據(jù)振蕩器時(shí)鐘頻率，總線波特率以及總線的最大傳輸距離等因素，對(duì)CAN控制器的位定時(shí)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，協(xié)調(diào)影響位定時(shí)設(shè)置的兩個(gè)主要因素：振蕩器容差和最大總線長(zhǎng)度，合理安排位周期中采樣點(diǎn)的位置和采樣次數(shù)，保證總線上位流的有效同步的同時(shí)，優(yōu)化系統(tǒng)的通訊性能，進(jìn)一步推進(jìn)CAN總線的廣泛應(yīng)用。