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最強干貨!CAN總線看不懂是不可能的!

[導讀]CAN(Controller Area Network)即控制器局域網,最強N總是干貨一種能夠實現分布式實時控制的串行通信網絡。

CAN(Controller Area Network)即控制器局域網,不懂是最強N總一種能夠實現分布式實時控制的串行通信網絡。

想到CAN就要想到德國的干貨Bosch公司,因為CAN就是不懂這個公司開發的(和Intel) CAN有很多優秀的特點,使得它能夠被廣泛的最強N總應用。 比如: 傳輸速度最高到1Mbps,干貨通信距離最遠到10km,不懂無損位仲裁機制,最強N總多主結構。干貨

近些年來,不懂CAN控制器價格越來越低,最強N總很多MCU也集成了CAN控制器。干貨現在每一輛汽車上都裝有CAN總線。不懂

一個典型的CAN應用場景:

CAN總線標準


最強干貨!CAN總線看不懂是不可能的!

CAN總線標準只規定了物理層和數據鏈路層,需要用戶自定義應用層。不同的CAN標準僅物理層不同。

CAN收發器負責邏輯電平和物理信號之間的轉換。
將邏輯信號轉換成物理信號(差分電平),或者將物理信號轉換成邏輯電平。
CAN標準有兩個,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
多個節點連接,只要有一個為低電平,總線就為低電平,只有所有節點輸出高電平時,才為高電平。所謂"線與"。

CAN總線有5個連續相同位后,就插入一個相反位,產生跳變沿,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,為了模擬無限遠的傳輸線

數據鏈路層


CAN總線傳輸的是CAN幀,CAN的通信幀分成五種,分別為數據幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀和幀間隔。

數據幀用來節點之間收發數據,是使用最多的幀類型;遠程幀用來接收節點向發送節點接收數據;錯誤幀是某節點發現幀錯誤時用來向其他節點通知的幀;過載幀是接收節點用來向發送節點告知自身接收能力的幀;用于將數據幀、遠程幀與前面幀隔離的幀。

數據幀根據仲裁段長度不同分為標準幀(2.0A)和擴展幀(2.0B)

幀起始



幀起始由一個顯性位(低電平)組成,發送節點發送幀起始,其他節點同步于幀起始;
幀結束由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總線控制器在發送數據的同時監控總線電平,如果電平不同,則停止發送并做其他處理。如果該位位于仲裁段,則退出總線競爭;如果位于其他段,則產生錯誤事件。
幀ID越小,優先級越高。由于數據幀的RTR位為顯性電平,遠程幀為隱性電平,所以幀格式和幀ID相同的情況下,數據幀優先于遠程幀;由于標準幀的IDE位為顯性電平,擴展幀的IDE位為隱形電平,對于前11位ID相同的標準幀和擴展幀,標準幀優先級比擴展幀高。

控制段


共6位,標準幀的控制段由擴展幀標志位IDE、保留位r0和數據長度代碼DLC組成;擴展幀控制段則由IDE、r1、r0和DLC組成。

數據段


為0-8字節,短幀結構,實時性好,適合汽車和工控領域;

CRC段


CRC校驗段由15位CRC值和CRC界定符組成。

ACK段


當接收節點接收到的幀起始到CRC段都沒錯誤時,它將在ACK段發送一個顯性電平,發送節點發送隱性電平,線與結果為顯性電平。

遠程幀


遠程幀分為6個段,也分為標準幀和擴展幀,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:發送與接收的CRC值不同發生該錯誤;
格式錯誤:幀格式不合法發生該錯誤;
應答錯誤:發送節點在ACK階段沒有收到應答信息發生該錯誤;
位發送錯誤:發送節點在發送信息時發現總線電平與發送電平不符發生該錯誤;
位填充錯誤:通信線纜上違反通信規則時發生該錯誤。
當發生這五種錯誤之一時,發送節點或接受節點將發送錯誤幀
為防止某些節點自身出錯而一直發送錯誤幀,干擾其他節點通信,CAN協議規定了節點的3種狀態及行為

過載幀


當某節點沒有做好接收的"準備"時,將發送過載幀,以通知發送節點。

幀間隔


用來隔離數據幀、遠程幀與他們前面的幀,錯誤幀和過載幀前面不加幀間隔。

構建CAN節點


構建節點,實現相應控制,由底向上分為四個部分:CAN節點電路、CAN控制器驅動、CAN應用層協議、CAN節點應用程序。

雖然不同節點完成的功能不同,但是都有相同的硬件和軟件結構。
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CAN收發器和控制器分別對應CAN的物理層和數據鏈路層,完成CAN報文的收發;功能電路,完成特定的功能,如信號采集或控制外設等;主控制器與應用軟件按照CAN報文格式解析報文,完成相應控制。

CAN硬件驅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、發送CAN報文、接收CAN報文;

如果直接使用CAN硬件驅動,當更換控制器時,需要修改上層應用程序,移植性差。在應用層和硬件驅動層加入虛擬驅動層,能夠屏蔽不同CAN控制器的差異。

一個CAN節點除了完成通信的功能,還包括一些特定的硬件功能電路,功能電路驅動向下直接控制功能電路,向上為應用層提供控制功能電路函數接口。特定功能包括信號采集、人機顯示等。
CAN收發器是實現CAN控制器邏輯電平與CAN總線上差分電平的互換。實現CAN收發器的方案有兩種,一是使用CAN收發IC(需要加電源隔離和電氣隔離),另一種是使用CAN隔離收發模塊。推薦使用第二種。

CAN控制器是CAN的核心元件,它實現了CAN協議中數據鏈路層的全部功能,能夠自動完成CAN協議的解析。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負責實現對功能電路和CAN控制器的控制:在節點啟動時,初始化CAN控制器參數;通過CAN控制器讀取和發送CAN幀;在CAN控制器發生中斷時,處理CAN控制器的中斷異常;根據接收到的數據輸出控制信號;
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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信息。

發送緩沖區和接收緩沖區能夠存儲CAN總線網絡上的完整信息。

驗收濾波是將存儲的驗證碼與CAN報文識別碼進行比較,跟驗證碼匹配的CAN幀才會存儲到接收緩沖區。

CAN內核實現了數據鏈路的全部協議。

CAN協議應用層概述


CAN總線只提供可靠的傳輸服務,所以節點接收報文時,要通過應用層協議來判斷是誰發來的數據、數據代表了什么含義。常見的CAN應用層協議有:CANOpen、DeviceNet、J1939、iCAN等。

CAN應用層協議驅動是運行在主控制器(如P89V51)上的程序,它按照應用層協議來對CAN報文進行定義、完成CAN報文的解析與拼裝。例如,我們將幀ID用來表示節點地址,當接收到的幀ID與自身節點ID不通過時,就直接丟棄,否則交給上層處理;發送時,將幀ID設置為接收節點的地址。

CAN收發器


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。
收發器按照通信速度分為高速CAN收發器和容錯CAN收發器。

同一網絡中要使用相同的CAN收發器。

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
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也可以使用CAN隔離收發器(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));
    }

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    ?

    將緩存區的數據連續寫入寄存器


      …… for (i=0;i{ WriteSJAReg(RegAdr+i,ValueBuf[i]);}……


      將連續多個寄存器連續讀入緩存區


        ……for (i=0;iReadSJAReg(RegAdr+i,ValueBuf[i]);}……

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        頭文件包含方案:

        1. 每個程序包含用到的頭文件

        2. 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(用戶可以根據實際情況作出調整)
          #define OSCCLK 11059200UL
          // 宏定義MCU的時鐘頻率
          #define CPUCLK (OSCCLK / 12)
          #endif // __CONFIG_H__


          SJA1000上電后處于復位狀態,必須初始化后才能工作。

          (1)置位模式寄存器Bit0位進入復位模式;

          (2)設置時鐘分頻寄存器選擇時鐘頻率、CAN模式;

          (3)設置驗收濾波,設定驗證碼和屏蔽碼;

          (4)設置總線定時器寄存器0、1設定CAN波特率;

          (5)設置輸出模式;

          (6)清零模式寄存器Bit0位退出復位模式;


          模式寄存器



          ?

          只檢測模式:SJA1000發送CAN幀時不檢查應答位;

          只聽模式:此模式下SJA1000不會發送錯誤幀,用于自動檢測波特率;SJA1000以不同的波特率接收CAN幀,當收到CAN幀時,表明當前波特率與總線波特率相同。

          波特率設置


          CAN總線無時鐘,使用異步串行傳輸;波特率是1秒發送的數據位;

          ?

          CAN幀發送:

          發送CAN幀的步驟:1.檢測狀態寄存器,等待發送緩沖區可用;

          2.填充報文到發送緩沖區;

          3.啟動發送。

          ?

          SJA1000具有一個12字節的緩沖區,要發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

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          設置發送模式


            char SetSJASendCmd(unsigned char cmd) { 
            unsigned char ret;
            switch (cmd) {
            default:
            case 0:
            ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT); //正常發送
            break;
            case 1:
            ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT|AT_BIT); //單次發送
            break;
            case 2:
            ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT|SRR_BIT);//自收自發
            break;
            case 0xff:
            ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, AT_BIT);//終止發送
            break;
            }
            return ret;
            }


            ?發送函數


              unsigned char SJA_CAN_Filter[8] = {  // 定義驗收濾波器的參數,接收所有幀 
              0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
              // ACR0~ACR3
              0xff, 0xff, 0xff, 0xff
              // AMR0~AMR3
              };
              unsigned char STD_SEND_BUFFER[11] = { // CAN 發送報文緩沖區
              0x08, // 幀信息,標準數據幀,數據長度 = 8
              0xEA, 0x60, // 幀ID = 0x753
              0x55, 0x55, 0x55, 0x55, 0xaa, 0xaa, 0xaa, 0xaa // 幀數據
              };
              void main(void) // 主函數,程序入口{
              timerInit();// 初始化
              D1 = 0;
              SJA1000_RST = 1; // 硬件復位SJA1000
              timerDelay(50); // 延時500ms
              SJA1000_RST = 0;
              SJA1000_Init(0x00, 0x14, SJA_CAN_Filter); // 初始化SJA1000,設置波特率為1Mbps
              // 無限循環,main()函數不允許返回
              for(;;) {
              SJASendData(STD_SEND_BUFFER, 0x0);
              timerDelay(100); // 延時1000ms
              }
              }


              為什么幀ID是0x753,這與CAN幀在緩沖區的存儲格式有關。

              ?

              ?

              終端電阻非常重要,當波特率較高而且沒加終端電阻時,信號過沖非常嚴重。

              ?

              SJA1000有64個字節的接收緩沖區(FIFO),這可以降低對MCU的要求。MCU可以通過查詢或中斷的方式確定SJA1000接收到報文后讀取報文。


              -END-


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