讯享网

 <p id="2IBB8DJT">嵌入式的工程师一般都知道CAN总线广泛应用到汽车中，其实船舰电子设备通信也广泛使用CAN，随着国家对海防的越来越重视，对CAN的需求也会越来越大。</p><p id="2IBB8DK0"> 概述 </p><p id="2IBB8DK2">CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，是一种能够实现分布式实时控制的串行通信网络。</p><p id="2IBB8DK4">想到CAN就要想到德国的Bosch公司，因为CAN就是这个公司开发的（和Intel）。</p><p id="2IBB8DK6">CAN有很多优秀的特点，使得它能够被广泛地应用。比如：传输速度最高到1Mbps，通信距离最远到10km，无损位仲裁机制，多主结构。</p><p id="2IBB8DK8">近些年来，CAN控制器价格越来越低，很多MCU也集成了CAN控制器。现在每一辆汽车上都装有CAN总线。</p><p id="2IBB8DKA">一个典型的CAN应用场景：</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F12127e55j00saed5i0020d200fe0069g00a00042.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DKE"> CAN总线标准 </p><p id="2IBB8DKG">CAN总线标准只规定了物理层和数据链路层，需要用户自定义应用层。不同的CAN标准仅物理层不同。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F2b7d42b3j00saed5j0016d200c8006fg00a00059.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DKJ">CAN收发器负责逻辑电平和物理信号之间的转换。</p><p id="2IBB8DKL">将逻辑信号转换成物理信号（差分电平），或者将物理信号转换成逻辑电平。</p><p id="2IBB8DKN">CAN标准有两个，即IOS11898和IOS11519，两者差分电平特性不同。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2Ff8cf2d72j00saed5j000bdag0079005a.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DKP">高低电平幅度低，对应的传输速度快；</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F893c11f0j00saed5k000cd2006k005dg006k005d.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DKR">* 双绞线共模消除干扰，是因为电平同时变化，电压差不变。</p><p>物理层</p><p id="2IBB8DL3">CAN有三种接口器件：</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F4a73bd42j00saed5k001ud200bz0054g00a00049.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F13e4b359j00saed5k0018d200bz0082g00a0006q.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DL7">多个节点连接，只要有一个为低电平，总线就为低电平，只有所有节点输出高电平时，才为高电平。所谓"线与"。</p><p id="2IBB8DL9">CAN总线有5个连续相同位后，就插入一个相反位，产生跳变沿，用于同步。从而消除累积误差。</p><p id="2IBB8DLB">和485、232一样，CAN的传输速度与距离成反比。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2Fe42f0e3dj00saed5k000cd200b0005wg00a0005c.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DLE">CAN总线，终端电阻的接法：</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2Faee8f588j00saed5l001id200bu007gg00a0006a.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DLH">为什么是120Ω，因为电缆的特性阻抗为120Ω，为了模拟无限远的传输线。</p><p id="2IBB8DLJ">数据链路层</p><p id="2IBB8DLK">CAN总线传输的是CAN帧，CAN的通信帧分成五种，分别为数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。<br/></p><p id="2IBB8DLM">数据帧用来节点之间收发数据，是使用最多的帧类型；远程帧用来接收节点向发送节点接收数据；错误帧是某节点发现帧错误时用来向其他节点通知的帧；过载帧是接收节点用来向发送节点告知自身接收能力的帧；用于将数据帧、远程帧与前面帧隔离的帧。</p><p id="2IBB8DLO">数据帧根据仲裁段长度不同分为标准帧（2.0A）和扩展帧（2.0B）</p><p id="2IBB8DLQ">帧起始</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2Fd4ae8046j00saed5l0022d200f70075g00a0004p.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DLS">帧起始由一个显性位（低电平）组成，发送节点发送帧起始，其他节点同步于帧起始；</p><p id="2IBB8DLU">帧结束由7个隐形位（高电平）组成。</p><p id="2IBB8DM0">仲裁段</p><p id="2IBB8DM1">CAN总线是如何解决多点竞争的问题？</p><p id="2IBB8DM3">由仲裁段给出答案。</p><p id="2IBB8DM5">CAN总线控制器在发送数据的同时监控总线电平，如果电平不同，则停止发送并做其他处理。如果该位位于仲裁段，则退出总线竞争；如果位于其他段，则产生错误事件。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F2fcaf976j00saed5m003rd200ej0093g00a00069.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DM8">帧ID越小，优先级越高。由于数据帧的RTR位为显性电平，远程帧为隐性电平，所以帧格式和帧ID相同的情况下，数据帧优先于远程帧；由于标准帧的IDE位为显性电平，扩展帧的IDE位为隐形电平，对于前11位ID相同的标准帧和扩展帧，标准帧优先级比扩展帧高。</p><p id="2IBB8DME">控制段</p><p id="2IBB8DMF">共6位，标准帧的控制段由扩展帧标志位IDE、保留位r0和数据长度代码DLC组成；扩展帧控制段则由IDE、r1、r0和DLC组成。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F5a4615b2j00saed5m002cd200cn005rg00a0004j.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DMI">数据段</p><p id="2IBB8DMJ">为0-8字节，短帧结构，实时性好，适合汽车和工控领域；</p><p id="2IBB8DML">CRC段</p><p id="2IBB8DMM">CRC校验段由15位CRC值和CRC界定符组成。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F410f591bj00saed5m001bd200bu004pg00a0003y.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DMO">ACK段</p><p id="2IBB8DMP">当接收节点接收到的帧起始到CRC段都没错误时，它将在ACK段发送一个显性电平，发送节点发送隐性电平，线与结果为显性电平。</p><p id="2IBB8DMR">远程帧</p><p id="2IBB8DMS">远程帧分为6个段，也分为标准帧和扩展帧，且RTR位为1（隐性电平）</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F2b618dcaj00saed5n002ld200cx006mg00a00054.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DMU">CAN是可靠性很高的总线，但是它也有五种错误：</p><p><blockquote id="2IBB8DRS">CRC错误：发送与接收的CRC值不同发生该错误； 格式错误：帧格式不合法发生该错误； 应答错误：发送节点在ACK阶段没有收到应答信息发生该错误； 位发送错误：发送节点在发送信息时发现总线电平与发送电平不符发生该错误； 位填充错误：通信线缆上违反通信规则时发生该错误。</blockquote></p><p id="2IBB8DN1">当发生这五种错误之一时，发送节点或接受节点将发送错误帧。</p><p id="2IBB8DN3">为防止某些节点自身出错而一直发送错误帧，干扰其他节点通信，CAN协议规定了节点的3种状态及行为。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F05085fb9j00saed5o002md200bb005mg00a0004y.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DN6">过载帧</p><p id="2IBB8DN7">当某节点没有做好接收的"准备"时，将发送过载帧，以通知发送节点。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F554affb0j00saed5o001td200bt005zg00a00052.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DNA">帧间隔</p><p id="2IBB8DNB">用来隔离数据帧、远程帧与他们前面的帧，错误帧和过载帧前面不加帧间隔。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F4a31aa14j00saed5p0035d200fd0055g00a0003c.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DND">构建CAN节点</p><p id="2IBB8DNE">构建节点，实现相应控制，由底向上分为四个部分：CAN节点电路、CAN控制器驱动、CAN应用层协议、CAN节点应用程序。</p><p id="2IBB8DNG">虽然不同节点完成的功能不同，但是都有相同的硬件和软件结构。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2Fa59e2abcj00saed5q004ad200cn00cgg00a0009u.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DNJ">CAN收发器和控制器分别对应CAN的物理层和数据链路层，完成CAN报文的收发；功能电路，完成特定的功能，如信号采集或控制外设等；主控制器与应用软件按照CAN报文格式解析报文，完成相应控制。</p><p id="2IBB8DNL">CAN硬件驱动是运行在主控制器（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、发送CAN报文、接收CAN报文；</p><p id="2IBB8DNN">如果直接使用CAN硬件驱动，当更换控制器时，需要修改上层应用程序，移植性差。在应用层和硬件驱动层加入虚拟驱动层，能够屏蔽不同CAN控制器的差异。</p><p id="2IBB8DNP">一个CAN节点除了完成通信的功能，还包括一些特定的硬件功能电路，功能电路驱动向下直接控制功能电路，向上为应用层提供控制功能电路函数接口。特定功能包括信号采集、人机显示等。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F1ca33a5dj00saed5q000ed200em004pg00a00037.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DNS">CAN收发器是实现CAN控制器逻辑电平与CAN总线上差分电平的互换。实现CAN收发器的方案有两种，一是使用CAN收发IC（需要加电源隔离和电气隔离），另一种是使用CAN隔离收发模块。推荐使用第二种。</p><p id="2IBB8DNU">CAN控制器是CAN的核心元件，它实现了CAN协议中数据链路层的全部功能，能够自动完成CAN协议的解析。CAN控制器一般有两种，一种是控制器IC（SJA1000），另一种是集成CAN控制器的MCU（LPC11C00）。</p><p id="2IBB8DO0">MCU负责实现对功能电路和CAN控制器的控制：在节点启动时，初始化CAN控制器参数；通过CAN控制器读取和发送CAN帧；在CAN控制器发生中断时，处理CAN控制器的中断异常；根据接收到的数据输出控制信号；</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2Fe358b1a4j00saed5q000rd200fe004vg00a00035.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DO3">接口管理逻辑：解释MCU指令，寻址CAN控制器中的各功能模块的寄存器单元，向主控制器提供中断信息和状态信息。</p><p id="2IBB8DO5">发送缓冲区和接收缓冲区能够存储CAN总线网络上的完整信息。</p><p id="2IBB8DO7">验收滤波是将存储的验证码与CAN报文识别码进行比较，跟验证码匹配的CAN帧才会存储到接收缓冲区。</p><p id="2IBB8DO9">CAN内核实现了数据链路的全部协议。</p><p id="2IBB8DOC">CAN协议应用层概述 </p><p id="2IBB8DOE">CAN总线只提供可靠的传输服务，所以节点接收报文时，要通过应用层协议来判断是谁发来的数据、数据代表了什么含义。常见的CAN应用层协议有：CANOpen、DeviceNet、J1939、iCAN等。</p><p id="2IBB8DOG">CAN应用层协议驱动是运行在主控制器（如P89V51）上的程序，它按照应用层协议来对CAN报文进行定义、完成CAN报文的解析与拼装。例如，我们将帧ID用来表示节点地址，当接收到的帧ID与自身节点ID不通过时，就直接丢弃，否则交给上层处理；发送时，将帧ID设置为接收节点的地址。</p><p id="2IBB8DOI">CAN收发器</p><p id="2IBB8DOJ">SJA1000的输出模式有很多，使用最多的是正常输出模式，输入模式通常不选择比较器模式，可以增大通信距离，并且减少休眠下的电流。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F9503f7f4j00saed5r002nd200de0084g00a00062.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DOM">收发器按照通信速度分为高速CAN收发器和容错CAN收发器。</p><p id="2IBB8DOO">同一网络中要使用相同的CAN收发器。</p><p id="2IBB8DOQ">CAN连接线上会有很多干扰信号，需要在硬件上添加滤波器和抗干扰电路：</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F8f35f9eej00saed5r001wd200ch0060g00a0004t.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DOT">也可以使用CAN隔离收发器（集成滤波器和抗干扰电路）。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F2304d545j00saed5s002kd200dl006xg00a00053.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2Ffce1fd1dj00saed5s0033d200fe0050g00a00038.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DP2">CAN控制器与MCU的连接方式：</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2Fa0j00saed5s0014d200aj005yg00a0005n.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DP4">SJA1000可被视为外扩RAM，地址宽度8位，最多支持256个寄存器</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2Fd848cb6dj00saed5t001rd200ea007hg00a00058.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F75cb1750j00saed5t006wd200fd00amg00a0006w.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DPB"></p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F044daa9fj00saed5u002ad200bj008lg00a0007g.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DPG">将缓存区的数据连续写入寄存器：</p><p id="2IBB8DPI"></p><p id="2IBB8DPL">将连续多个寄存器连续读入缓存区：</p><p id="2IBB8DPN"></p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2Fb8589b1fp00saed5u000wd200af003sg00a0003m.png&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DPS">头文件包含方案：</p><p id="2IBB8DPT">1. 每个程序包含用到的头文件</p><p id="2IBB8DPU">2. 每个程序包含一个公用头文件，公用头文件包含所有其他头文件</p><p id="2IBB8DQ0"></p><p id="2IBB8DQ3">SJA1000上电后处于复位状态，必须初始化后才能工作：</p><p id="2IBB8DQ4">（1）置位模式寄存器Bit0位进入复位模式；</p><p id="2IBB8DQ5">（2）设置时钟分频寄存器选择时钟频率、CAN模式；</p><p id="2IBB8DQ6">（3）设置验收滤波，设定验证码和屏蔽码；</p><p id="2IBB8DQ7">（4）设置总线定时器寄存器0、1设定CAN波特率；</p><p id="2IBB8DQ8">（5）设置输出模式；</p><p id="2IBB8DQ9">（6）清零模式寄存器Bit0位退出复位模式；</p><p id="2IBB8DQB">模式寄存器</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F9800e5d4j00saed5u002ed2008r0079g008r0079.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DQE">只检测模式：SJA1000发送CAN帧时不检查应答位；</p><p id="2IBB8DQG">只听模式：此模式下SJA1000不会发送错误帧，用于自动检测波特率；SJA1000以不同的波特率接收CAN帧，当收到CAN帧时，表明当前波特率与总线波特率相同。</p><p id="2IBB8DQI">波特率设置</p><p id="2IBB8DQJ">CAN总线无时钟，使用异步串行传输；波特率是1秒发送的数据位；</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2Fab4f95c2j00saed5v005cd200dv008xg00a0006f.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DQM">CAN帧发送：</p><p id="2IBB8DQN">发送CAN帧的步骤：</p><p id="2IBB8DQO">1.检测状态寄存器，等待发送缓冲区可用；</p><p id="2IBB8DQP">2.填充报文到发送缓冲区；</p><p id="2IBB8D">3.启动发送。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2Fa473c539j00saed5w001pd200fe0069g00a00042.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DQT">SJA1000具有一个12字节的缓冲区，要发送的报文可以通过寄存器16-28写入，也可通过寄存器96-108写入或读出：</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F28d93958j00saed5w001qdsg0095005s.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F27fa8050j00saed5x003id200a0006lg00a0006l.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DR2">设置发送模式：</p><p id="2IBB8DR4"></p><p id="2IBB8DR7">发送函数：<br/></p><p id="2IBB8DR9"></p><p id="2IBB8DRC">为什么帧ID是0x753，这与CAN帧在缓冲区的存储格式有关。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F5ab60ccej00saed5x001hd200fe006hg00a00047.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2Ffb5c2a41j00saed5y004vd200fd006ug00a0004g.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DRH">终端电阻非常重要，当波特率较高而且没加终端电阻时，信号过冲非常严重。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0316%2F427f04c7j00saed5y0010d200f400azg00a00079.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2IBB8DRJ">SJA1000有64个字节的接收缓冲区（FIFO），这可以降低对MCU的要求。</p><p id="2IBB8DRK"><br/>MCU可以通过查询或中断的方式确定SJA1000接收到报文后读取报文。</p><p id="2IBB8DRM">免责声明：本内容来自腾讯平台创作者，不代表腾讯新闻或腾讯网的观点和立场。</p><p id="2IBB8DRN">摘自嵌入式开发必懂的 CAN 总线知识_腾讯新闻 (.com)</p><p id="2IBB8DRO">作者焉知汽车</p>