如何使用Arduino實現(xiàn)CANBUS通信

描述

我學(xué)習(xí) CAN 已經(jīng)三周了，現(xiàn)在我已經(jīng)完成了一些申請來驗證我的學(xué)習(xí)成果。在本教程中，您將學(xué)習(xí)如何使用 Arduino 實現(xiàn) CANBUS 通信。如果您有什么建議，歡迎留言。

什么是 CANBUS

關(guān)于 CAN

CAN（Controller Area Network）是一種可以實現(xiàn)分布式實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。它是為汽車行業(yè)開發(fā)的，用兩線總線代替復(fù)雜的線束。

CAN 協(xié)議定義了 OSI 模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和部分物理層。

CAN 協(xié)議采用 ISO11898 和 ISO11519 進行 ISO 標準化。ISO11898是CAN高速通信標準，通信速度為125kbps-1Mbps。ISO11519是CAN低速通信標準，通信速度小于125kbps。

?

這里我們重點介紹高速CAN。

• ISO-11898 描述了信息如何在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備之間傳遞，并符合按層定義的開放系統(tǒng)互連模型 (OSI)。通過物理介質(zhì)連接的設(shè)備之間的實際通信由模型的物理層定義。

?

?

• 每個連接到總線的 CAN 單元都可以稱為一個節(jié)點。所有 CAN 單元都連接到每端用 120 Ω 電阻端接的總線以形成網(wǎng)絡(luò)。總線由 CAN_H 和 CAN_L 線組成。CAN 控制器根據(jù)兩根電線上的功率電平差異確定總線電平。總線級別分為顯性和隱性級別，必須是其中之一。發(fā)送方通過在總線級別進行更改將消息發(fā)送給接收方。當在總線上執(zhí)行邏輯線“與”時，顯性電平為“0”，隱性電平為“1”。
• 在顯性狀態(tài)下，CAN_H的電壓約為3.5V，CAN_L的電壓約為1.5V。在隱性狀態(tài)下，兩條線的電壓都在2.5V左右。
• 信號是差分的，這就是 CAN 具有強大的抗噪能力和容錯能力的原因。平衡的差分信號減少了噪聲耦合，并允許通過雙絞線電纜實現(xiàn)高信號速率。每條信號線中的電流相等，但方向相反，從而產(chǎn)生場消除效應(yīng)，這是低噪聲發(fā)射的關(guān)鍵。平衡差分接收器和雙絞線電纜的使用增強了 CAN 總線的共模抑制和高抗噪能力。

CAN收發(fā)器

CAN Transceiver 負責(zé)邏輯電平和物理信號之間的轉(zhuǎn)換。將邏輯信號轉(zhuǎn)換為差分電平或?qū)⑽锢硇盘栟D(zhuǎn)換為邏輯電平。

CAN控制器

CAN控制器是CAN的核心部件，實現(xiàn)了CAN協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，可以自動解析CAN協(xié)議。

單片機

MCU負責(zé)功能電路和CAN控制器的控制。例如節(jié)點啟動時初始化CAN控制器參數(shù)，通過CAN控制器讀取并發(fā)送CAN幀等。

關(guān)于 CAN 通訊

當總線空閑時，所有節(jié)點都可以開始發(fā)送消息（多主機控制）。首先訪問總線的節(jié)點獲得發(fā)送權(quán)（CSMA/CA 模式）。當多個節(jié)點同時開始發(fā)送時，發(fā)送高優(yōu)先級ID消息的節(jié)點獲得發(fā)送權(quán)。

在 CAN 協(xié)議中，所有消息都以固定格式發(fā)送。當總線空閑時，所有連接到總線的單元都可以開始發(fā)送新消息。當兩個以上的小區(qū)同時開始發(fā)送消息時，根據(jù)標識符確定優(yōu)先級。ID不代表發(fā)送的目的地址，而是代表消息訪問總線的優(yōu)先級。當兩個以上的cell同時開始發(fā)送消息時，免息ID的每一位都會被一一仲裁。仲裁獲勝的單元可以繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失敗的單元立即停止發(fā)送并接收工作。

CAN 總線是一種廣播型總線。這意味著所有節(jié)點都可以“聽到”所有傳輸。所有節(jié)點總是會接收所有流量。CAN 硬件提供本地過濾，以便每個節(jié)點只對感興趣的消息做出反應(yīng)。

?框架

CAN 設(shè)備通過 CAN 網(wǎng)絡(luò)以稱為幀的數(shù)據(jù)包形式發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN 有四種幀類型：

• 數(shù)據(jù)幀：包含用于傳輸?shù)墓?jié)點數(shù)據(jù)的幀
• 遠程幀：請求傳輸特定標識符的幀
• 錯誤幀：任何節(jié)點檢測到錯誤時發(fā)送的幀
• 過載幀：在數(shù)據(jù)或遠程幀之間注入延遲的幀

數(shù)據(jù)框

有兩種類型的數(shù)據(jù)幀，標準的和擴展的。

?

圖中位域的含義是：

• SOF – 單個顯性幀開始 (SOF) 位標記消息的開始，用于在空閑后同步總線上的節(jié)點。
• 標識符- 標準 CAN 11 位標識符確定消息的優(yōu)先級。二進制值越低，其優(yōu)先級越高。
• RTR – 單個遠程傳輸請求 (RTR) 位
• IDE – 顯性單一標識符擴展 (IDE) 位意味著正在傳輸沒有擴展的標準 CAN 標識符。
• R0 – 保留位（供未來標準修訂可能使用）。
• DLC – 4 位數(shù)據(jù)長度代碼 (DLC) 包含正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。
• 數(shù)據(jù)——最多可傳輸 64 位應(yīng)用數(shù)據(jù)。
• CRC – 16 位（15 位加上定界符）循環(huán)冗余校驗 (CRC) 包含用于錯誤檢測的前面應(yīng)用數(shù)據(jù)的校驗和（傳輸?shù)奈粩?shù)）。
• ACK –ACK 是 2 位，一個是確認位，第二個是分隔符。
• EOF——這個幀結(jié)束 (EOF)，7 位字段標記 CAN 幀（消息）的結(jié)束并禁用位填充，在顯性時指示填充錯誤。在正常操作過程中，當連續(xù)出現(xiàn) 5 位相同邏輯電平時，會將相反邏輯電平的位填充到數(shù)據(jù)中。
• IFS——這個 7 位幀間空間 (IFS) 包含控制器將正確接收的幀移動到消息緩沖區(qū)中的適當位置所需的時間。

仲裁

在總線空閑狀態(tài)下，首先開始發(fā)送消息的單元獲得發(fā)送權(quán)。當多個單元同時開始發(fā)送時，每個發(fā)送單元從仲裁段的第一位開始。連續(xù)輸出顯性電平數(shù)最多的單元可以繼續(xù)發(fā)送。

速度和距離

CAN總線是同時連接多個單元的總線。理論上可以連接的單元總數(shù)沒有限制。然而，在實踐中，可以連接的單元數(shù)量受到總線上的時間延遲和電氣負載的限制。降低通訊速度，增加可連接的單元數(shù)，提高通訊速度，可連接的單元數(shù)減少。

通信距離與通信速度成反比，通信距離越遠，通信速度越小。更長的距離可以是1km或更長，但速度小于40kps。

?

硬件

Maduino Zero CAN-BUS 模塊是Makerfabs 開發(fā)的CANbus 通訊工具，它基于Arduino，帶有CAN 控制器和CAN 收發(fā)器，創(chuàng)建一個即用型CAN-bus 端口。

?

• MCP2515 是一款實現(xiàn) CAN 規(guī)范的獨立 CAN 控制器。它能夠發(fā)送和接收標準和擴展數(shù)據(jù)以及遠程幀。
• MAX3051 是 CAN 協(xié)議控制器和控制器局域網(wǎng) (CAN) 中總線物理線之間的接口。MAX3051為總線提供差分發(fā)送能力，為CAN控制器提供差分接收能力。

聯(lián)系

?

?

用電線將 DHT11 模塊連接到 Maduino Zero CAN-BUS 模塊，用作支持 CAN 通信的儀器。同樣，將顯示器連接到模塊以接收數(shù)據(jù)并顯示。

Maduino Zero CANBUS與DHT11的連接：

Maduino Zero CANBUS -- DHT11
3v3 ------ VCC
GND ------ GND
D10 ------ DATA

Maduino Zero CANBUS與OLED的連接：

Maduino Zero CANBUS -- OLED
3v3 ------ VCC
GND ------ GND
SCL ------ SCL
SDA ------ SDA

使用 DB9 電纜連接兩個 Maduino Zero CANBUS 模塊。

代碼

MAX3051完成差分電平到邏輯信號的轉(zhuǎn)換。MCP2515完成數(shù)據(jù)編解碼等CAN功能。MCU只需要初始化控制器和發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

• Github：https://github.com/Makerfabs/Maduino-CANbus-RS485...
• 安裝 Arduino 后，沒有包支持需要安裝的板子（Arduino 零）。
• 選擇工具 -> Board -> Board Manager，搜索“Arduino zero”并安裝“Arduino SAMD Boards”。
• 選擇 Tools -> Board -> Arduino Zero (Native USB Port)，選擇 Tools -> Port -> com…
• 從 GitHub 獲取程序后，需要確保所有文件都在項目目錄下，其中包含支持 CANBUS 的庫文件。
• 安裝 Adafruit 的 DHT 傳感器庫，用于驅(qū)動 DHT11 獲取溫度和濕度。
• 在代碼Test_DHT11.ino中使用不同的地址分別發(fā)送溫度和濕度。

CAN.sendMsgBuf(0x10, 0, stmp1.length(), stmp_send1);
delay(500);
CAN.sendMsgBuf(0x11, 0, stmp2.length(), stmp_send2);
delay(500);

“0x10”表示消息ID，“0”表示標準幀，“stmp1.length()”表示消息長度，“stmp_send1”表示發(fā)送的數(shù)據(jù)。

• 在代碼Test_OLED.ino中，通過查詢接收 CANBUS 上的所有消息，并將所需信息顯示在 OLED 上。
• 將程序Maduino-CANbus-RS485/Test_DHT11_OLED/Test_DHT11/Test_DHT11.ino上傳到與傳感器相連的模塊，并將程序Maduino-CANbus RS485/Test_DHT11_OLED/Test_OLED/Test_OLED.ino 上傳到另一個與 OLED 相連的模塊。

節(jié)目

給兩個模塊上電，顯示屏上會顯示溫度和濕度。

?

?

?

?