【轉】CAN匯流排介紹
概述
CAN（Controller Area Network）即控制器區域網，是一種能夠實現分散式實時控制的序列通訊網路。
想到CAN就要想到德國的Bosch公司，因為CAN就是這個公司開發的（和Intel）
CAN有很多優秀的特點，使得它能夠被廣泛的應用。比如：傳輸速度最高到1Mbps，通訊距離最遠到10km，無損位仲裁機制，多主結構。
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。現在每一輛汽車上都裝有CAN匯流排。
一個典型的CAN應用場景：
CAN匯流排標準
CAN匯流排標準只規定了物理層和資料鏈路層，需要使用者自定義應用層。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訊號之間的轉換。
將邏輯訊號轉換成物理訊號（差分電平），或者將物理訊號轉換成邏輯電平。
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有三種介面器件
多個節點連線，只要有一個為低電平，匯流排就為低電平，只有所有節點輸出高電平時，才為高電平。所謂"線與"。
CAN匯流排有5個連續相同位後，就插入一個相反位，產生跳變沿，用於同步。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匯流排，終端電阻的接法：
為什麼是120Ω，因為電纜的特性阻抗為120Ω，為了模擬無限遠的傳輸線
資料鏈路層
CAN匯流排傳輸的是CAN幀，CAN的通訊幀分成五種，分別為資料幀、遠端幀、錯誤幀、過載幀和幀間隔。
資料幀用來節點之間收發資料，是使用最多的幀型別；遠端幀用來接收節點向傳送節點接收資料；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傳送節點告知自身接收能力的幀；用於將資料幀、遠端幀與前面幀隔離的幀。
資料幀根據仲裁段長度不同分為標準幀（2.0A）和擴充套件幀（2.0B）
幀起始
幀起始由一個顯性位（低電平）組成，傳送節點發送幀起始，其他節點同步於幀起始；
幀結束由7個隱形位（高電平）組成。
仲裁段
CAN匯流排是如何解決多點競爭的問題？
由仲裁段給出答案。
CAN匯流排控制器在傳送資料的同時監控匯流排電平，如果電平不同，則停止傳送並做其他處理。如果該位位於仲裁段，則退出匯流排競爭；如果位於其他段，則產生錯誤事件。
幀ID越小，優先順序越高。由於資料幀的RTR位為顯性電平，遠端幀為隱性電平，所以幀格式和幀ID相同的情況下，資料幀優先於遠端幀；由於標準幀的IDE位為顯性電平，擴充套件幀的IDE位為隱形電平，對於前11位ID相同的標準幀和擴充套件幀，標準幀優先順序比擴充套件幀高。
控制段
共6位，標準幀的控制段由擴充套件幀標誌位IDE、保留位r0和資料長度程式碼DLC組成；擴充套件幀控制段則由IDE、r1、r0和DLC組成。
資料段
為0-8位元組，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段傳送一個顯性電平，傳送節點發送隱性電平，線與結果為顯性電平。
遠端幀
遠端幀分為6個段，也分為標準幀和擴充套件幀，且RTR位為1（隱性電平）
CAN是可靠性很高的匯流排，但是它也有五種錯誤。
CRC錯誤：傳送與接收的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：傳送節點在ACK階段沒有收到應答資訊發生該錯誤；
位傳送錯誤：傳送節點在傳送資訊時發現匯流排電平與傳送電平不符發生該錯誤；
位填充錯誤：通訊線纜上違反通訊規則時發生該錯誤。
當發生這五種錯誤之一時，傳送節點或接受節點將傳送錯誤幀
為防止某些節點自身出錯而一直髮送錯誤幀，干擾其他節點通訊，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，將傳送過載幀，以通知傳送節點。
幀間隔
用來隔離資料幀、遠端幀與他們前面的幀，錯誤幀和過載幀前面不加幀間隔。
//好好理解1.6最後一張ppt
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節點應用程式。
雖然不同節點完成的功能不同，但是都有相同的硬體和軟體結構。
CAN收發器和控制器分別對應CAN的物理層和資料鏈路層，完成CAN報文的收發；功能電路，完成特定的功能，如訊號採集或控制外設等；主控制器與應用軟體按照CAN報文格式解析報文，完成相應控制。
CAN硬體驅動是執行在主控制器（如P89V51）上的程式，它主要完成以下工作：基於暫存器的操作，初始化CAN控制器、傳送CAN報文、接收CAN報文；
如果直接使用CAN硬體驅動，當更換控制器時，需要修改上層應用程式，移植性差。在應用層和硬體驅動層加入虛擬驅動層，能夠遮蔽不同CAN控制器的差異。
一個CAN節點除了完成通訊的功能，還包括一些特定的硬體功能電路，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式介面。特定功能包括訊號採集、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隔離收發模組。推薦使用第二種。
CAN控制器是CAN的核心元件，它實現了CAN協議中資料鏈路層的全部功能，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），另一種是整合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控制器引數；通過CAN控制器讀取和傳送CAN幀；在CAN控制器發生中斷時，處理CAN控制器的中斷異常；根據接收到的資料輸出控制訊號；
介面管理邏輯：解釋MCU指令，定址CAN控制器中的各功能模組的暫存器單元，向主控制器提供中斷資訊和狀態資訊。
傳送緩衝區和接收緩衝區能夠儲存CAN匯流排網路上的完整資訊。
驗收濾波是將儲存的驗證碼與CAN報文識別碼進行比較，跟驗證碼匹配的CAN幀才會儲存到接收緩衝區。
CAN核心實現了資料鏈路的全部協議。
CAN協議應用層概述
CAN匯流排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資料、資料代表了什麼含義。常見的CAN應用層協議有： CANOpen、DeviceNet、J1939、iCAN等。
CAN應用層協議驅動是執行在主控制器（如P89V51）上的程式，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；傳送時，將幀ID設定為接收節點的地址。
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，可以增大通訊距離，並且減少休眠下的電流。
收發器按照通訊速度分為高速CAN收發器和容錯CAN收發器。
同一網路中要使用相同的CAN收發器。
CAN連線線上會有很多幹擾訊號，需要在硬體上新增濾波器和抗干擾電路
也可以使用CAN隔離收發器（整合濾波器和抗干擾電路）。
CAN控制器與MCU的連線方式
SJA1000可被視為外擴RAM，地址寬度8位，最多支援256個暫存器
?| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 |
#define REG_BASE_ADDR 0xA000 // 暫存器基址
unsigned char *SJA_CS_Point = (unsigned char *) REG_BASE_ADDR ;
// 寫SJA1000暫存器
void WriteSJAReg(unsigned char RegAddr, unsigned char Value) {
*(SJA_CS_Point + RegAddr) = Value;
return;
}
// 讀SJA1000暫存器
unsigned char ReadSJAReg(unsigned char RegAddr) {
return (*(SJA_CS_Point + RegAddr));
}
|
將快取區的資料連續寫入暫存器
…… for (i=0;i<len;i++) { WriteSJAReg(RegAdr+i,ValueBuf[i]); } ……
將連續多個暫存器連續讀入快取區
…… for (i=0;i<len;i++) { ReadSJAReg(RegAdr+i,ValueBuf[i]); } ……
標頭檔案包含方案：
- 每個程式包含用到的標頭檔案
- 每個程式包含一個公用標頭檔案，公用標頭檔案包含所有其他標頭檔案
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 |
#ifndef __CONFIG_H__ // 防止標頭檔案被重複包含
#define __CONFIG_H__
#include <8051.h> // 包含80C51暫存器定義標頭檔案
#include "SJA1000REG.h" // 包含SJA1000暫存器定義標頭檔案
// 定義取位元組運算
#define LOW_BYTE(x) (unsigned char)(x)
#define HIGH_BYTE(x) (unsigned char)((unsigned int)(x) >> 8)
// 定義振盪器時鐘和處理器時鐘頻率（使用者可以根據實際情況作出調整）
#define OSCCLK 11059200UL
// 巨集定義MCU的時鐘頻率
#define CPUCLK (OSCCLK / 12)
#endif // __CONFIG_H__
|
SJA1000上電後處於復位狀態，必須初始化後才能工作。
（1）置位模式暫存器Bit0位進入復位模式；
（2）設定時鐘分頻暫存器選擇時鐘頻率、CAN模式；
（3）設定驗收濾波，設定驗證碼和遮蔽碼；
（4）設定匯流排定時器暫存器0、1設定CAN波特率；
（5）設定輸出模式；
（6）清零模式暫存器Bit0位退出復位模式；
模式暫存器
只檢測模式：SJA1000傳送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，用於自動檢測波特率；SJA1000以不同的波特率接收CAN幀，當收到CAN幀時，表明當前波特率與匯流排波特率相同。
波特率設定
CAN匯流排無時鐘，使用非同步序列傳輸；波特率是1秒傳送的資料位；
CAN幀傳送：
傳送CAN幀的步驟：1.檢測狀態暫存器，等待發送緩衝區可用；
2.填充報文到傳送緩衝區；
3.啟動傳送。
SJA1000具有一個12位元組的緩衝區，要傳送的報文可以通過暫存器16-28寫入，也可通過暫存器96-108寫入或讀出
設定傳送模式
?| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 |
char SetSJASendCmd(unsigned char cmd) {
unsigned char ret;
switch (cmd) {
default:
case 0:
ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT); //正常傳送
break;
case 1:
ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT|AT_BIT); //單次傳送
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);//終止傳送
break;
}
return ret;
}
|
傳送函式
?| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 |
unsigned char SJA_CAN_Filter[8] = { // 定義驗收濾波器的引數，接收所有幀
0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
// ACR0~ACR3
0xff, 0xff, 0xff, 0xff
// AMR0~AMR3
};
unsigned char STD_SEND_BUFFER[11] = { // CAN 傳送報文緩衝區
0x08, // 幀資訊，標準資料幀，資料長度 = 8
0xEA, 0x60, // 幀ID = 0x753
0x55, 0x55, 0x55, 0x55, 0xaa, 0xaa, 0xaa, 0xaa // 幀資料
};
void main(void) // 主函式，程式入口
{
timerInit();// 初始化
D1 = 0;
SJA1000_RST = 1; // 硬體復位SJA1000
timerDelay(50); // 延時500ms
SJA1000_RST = 0;
SJA1000_Init(0x00, 0x14, SJA_CAN_Filter); // 初始化SJA1000，設定波特率為1Mbps
// 無限迴圈，main()函式不允許返回
for(;;) {
SJASendData(STD_SEND_BUFFER, 0x0);
timerDelay(100); // 延時1000ms
}
}
|
為什麼幀ID是0x753，這與CAN幀在緩衝區的儲存格式有關。
終端電阻非常重要，當波特率較高而且沒加終端電阻時，訊號過沖非常嚴重。
SJA1000有64個位元組的接收緩衝區（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接收到報文後讀取報文。
—————————————————————————————— 選擇正確的事、再把事做正確 ——————————————————————————————