CAN總線標(biāo)準(zhǔn)及它是如何解決多點競爭的問題

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__

(1)置位模式寄存器Bit0位進(jìn)入復(fù)位模式;SJA1000上電后處于復(fù)位狀態(tài)，必須初始化后才能工作。

(2)設(shè)置時鐘分頻寄存器選擇時鐘頻率、CAN模式;

(3)設(shè)置驗收濾波，設(shè)定驗證碼和屏蔽碼;

(4)設(shè)置總線定時器寄存器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

只檢測模式：SJA1000發(fā)送CAN幀時不檢查應(yīng)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(dāng)收到CAN幀時，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：

發(fā)送CAN幀的步驟：1.檢測狀態(tài)寄存器，等待發(fā)送緩沖區(qū)可用;

2.填充報文到發(fā)送緩沖區(qū);

3.啟動發(fā)送。

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

設(shè)置發(fā)送模式

char SetSJASendCmd(unsigned char cmd) {

unsigned char ret;

switch (cmd) {

default:

case 0:

ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT); //正常發(fā)送

break;

case 1:

ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT|AT_BIT); //單次發(fā)送

break;

case 2:

ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT|SRR_BIT);//自收自發(fā)

break;

case 0xff:

ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, AT_BIT);//終止發(fā)送

break;

}

return ret;

}

發(fā)送函數(shù)

unsigned char SJA_CAN_Filter[8] = { // 定義驗收濾波器的參數(shù)，接收所有幀

0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

// ACR0~ACR3

0xff, 0xff, 0xff, 0xff

// AMR0~AMR3

};

unsigned char STD_SEND_BUFFER[11] = { // CAN 發(fā)送報文緩沖區(qū)

0x08, // 幀信息，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)長度 = 8

0xEA, 0x60, // 幀ID = 0x753

0x55, 0x55, 0x55, 0x55, 0xaa, 0xaa, 0xaa, 0xaa // 幀數(shù)據(jù)

};

void main(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500ms

SJA1000_RST = 0;

SJA1000_Init(0x00, 0x14, SJA_CAN_Filter); // 初始化SJA1000，設(shè)置波特率為1Mbps

// 無限循環(huán)，main()函數(shù)不允許返回

for(;;) {

SJASendData(STD_SEND_BUFFER, 0x0);

timerDelay(100); // 延時1000ms

}

}

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(dāng)波特率較高而且沒加終端電阻時，信號過沖非常嚴(yán)重。

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