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(shí)船艦電子設(shè)備通信也廣泛使用CAN，隨著國家對(duì)海防的越來越重視,，對(duì)CAN的需求也會(huì)越來越大,。這個(gè)暑假,，通過參加蘇州社會(huì)實(shí)踐,，去某船舶電氣公司實(shí)習(xí)幾周,，也借此機(jī)會(huì)，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(shí)時(shí)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?yàn)镃AN就是這個(gè)公司開發(fā)的（和Intel）
CAN有很多優(yōu)秀的特點(diǎn)，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(jī)制，多主結(jié)構(gòu),。
近些年來,，CAN控制器價(jià)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(gè)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(hào)之間的轉(zhuǎn)換。
將邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換成物理信號(hào)（差分電平）,，或者將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成邏輯電平,。
CAN標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，即IOS11898和IOS11519,，兩者差分電平特性不同,。
高低電平幅度低，對(duì)應(yīng)的傳輸速度快,；
*雙絞線共模消除干擾,，是因?yàn)殡娖酵瑫r(shí)變化，電壓差不變,。
物理層
CAN有三種接口器件
多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接,，只要有一個(gè)為低電平，總線就為低電平,，只有所有節(jié)點(diǎn)輸出高電平時(shí),，才為高電平。所謂"線與",。
CAN總線有5個(gè)連續(xù)相同位后,，就插入一個(gè)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?yàn)殡娎|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(cuò)誤幀,、過載幀和幀間隔,。
數(shù)據(jù)幀用來節(jié)點(diǎn)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(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù),；錯(cuò)誤幀是某節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)幀錯(cuò)誤時(shí)用來向其他節(jié)點(diǎn)通知的幀；過載幀是接收節(jié)點(diǎn)用來向發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(gè)顯性位（低電平）組成,，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀起始,，其他節(jié)點(diǎn)同步于幀起始；
幀結(jié)束由7個(gè)隱形位（高電平）組成,。
仲裁段
CAN總線是如何解決多點(diǎn)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(shí)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(cuò)誤事件,。
幀ID越小,，優(yōu)先級(jí)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(duì)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(jí)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(shí)時(shí)性好,，適合汽車和工控領(lǐng)域；
CRC段
CRC校驗(yàn)段由15位CRC值和CRC界定符組成,。
ACK段
當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)接收到的幀起始到CRC段都沒錯(cuò)誤時(shí),，它將在ACK段發(fā)送一個(gè)顯性電平，發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(gè)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(cuò)誤。
CRC錯(cuò)誤：發(fā)送與接收的CRC值不同發(fā)生該錯(cuò)誤,；
格式錯(cuò)誤：幀格式不合法發(fā)生該錯(cuò)誤,；
應(yīng)答錯(cuò)誤：發(fā)送節(jié)點(diǎn)在ACK階段沒有收到應(yīng)答信息發(fā)生該錯(cuò)誤；
位發(fā)送錯(cuò)誤：發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息時(shí)發(fā)現(xiàn)總線電平與發(fā)送電平不符發(fā)生該錯(cuò)誤,；
位填充錯(cuò)誤：通信線纜上違反通信規(guī)則時(shí)發(fā)生該錯(cuò)誤,。
當(dāng)發(fā)生這五種錯(cuò)誤之一時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)或接受節(jié)點(diǎn)將發(fā)送錯(cuò)誤幀
為防止某些節(jié)點(diǎn)自身出錯(cuò)而一直發(fā)送錯(cuò)誤幀,，干擾其他節(jié)點(diǎn)通信,，CAN協(xié)議規(guī)定了節(jié)點(diǎn)的3種狀態(tài)及行為
過載幀
當(dāng)某節(jié)點(diǎn)沒有做好接收的"準(zhǔn)備"時(shí)，將發(fā)送過載幀,，以通知發(fā)送節(jié)點(diǎn),。
幀間隔
用來隔離數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀與他們前面的幀,，錯(cuò)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(diǎn)
構(gòu)建節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制,，由底向上分為四個(gè)部分：CAN節(jié)點(diǎn)電路,、CAN控制器驅(qū)動(dòng)、CAN應(yīng)用層協(xié)議,、CAN節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序,。
雖然不同節(jié)點(diǎn)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(duì)應(yīng)CAN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,，完成CAN報(bào)文的收發(fā),；功能電路，完成特定的功能,，如信號(hào)采集或控制外設(shè)等,；主控制器與應(yīng)用軟件按照CAN報(bào)文格式解析報(bào)文，完成相應(yīng)控制,。
CAN硬件驅(qū)動(dòng)是運(yùn)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(bào)文,、接收CAN報(bào)文；
如果直接使用CAN硬件驅(qū)動(dòng),，當(dāng)更換控制器時(shí),，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(dòng)層加入虛擬驅(qū)動(dòng)層,，能夠屏蔽不同CAN控制器的差異。
一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(hào)采集,、人機(jī)顯示等。
CAN收發(fā)器是實(shí)現(xiàn)CAN控制器邏輯電平與CAN總線上差分電平的互換,。實(shí)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(shí)現(xiàn)了CAN協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能,，能夠自動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)功能電路和CAN控制器的控制：在節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，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(shí)，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(hào),；
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(chǔ)CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的完整信息,。
驗(yàn)收濾波是將存儲(chǔ)的驗(yàn)證碼與CAN報(bào)文識(shí)別碼進(jìn)行比較，跟驗(yàn)證碼匹配的CAN幀才會(huì)存儲(chǔ)到接收緩沖區(qū),。
CAN內(nèi)核實(shí)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(diǎn)接收?qǐng)?bào)文時(shí),，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(dòng)是運(yùn)行在主控制器（如P89V51）上的程序，它按照應(yīng)用層協(xié)議來對(duì)CAN報(bào)文進(jìn)行定義,、完成CAN報(bào)文的解析與拼裝,。例如，我們將幀ID用來表示節(jié)點(diǎn)地址,，當(dāng)接收到的幀ID與自身節(jié)點(diǎn)ID不通過時(shí),，就直接丟棄，否則交給上層處理,；發(fā)送時(shí),，將幀ID設(shè)置為接收節(jié)點(diǎn)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(cuò)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(huì)有很多干擾信號(hào),，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(gè)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<len;i++) { WriteSJAReg(RegAdr+i,ValueBuf[i]); } ……
將連續(xù)多個(gè)寄存器連續(xù)讀入緩存區(qū)
…… for (i=0;i<len;i++) { ReadSJAReg(RegAdr+i,ValueBuf[i]); } ……
頭文件包含方案：
每個(gè)程序包含用到的頭文件
每個(gè)程序包含一個(gè)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(yùn)算
#define LOW_BYTE(x) (unsigned char)(x)
#define HIGH_BYTE(x) (unsigned char)((unsigned int)(x) >> 8)
// 定義振蕩器時(shí)鐘和處理器時(shí)鐘頻率（用戶可以根據(jù)實(shí)際情況作出調(diào)整）
#define OSCCLK 11059200UL
// 宏定義MCU的時(shí)鐘頻率
#define CPUCLK (OSCCLK / 12)
#endif // __CONFIG_H__
SJA1000上電后處于復(fù)位狀態(tài),，必須初始化后才能工作,。
?。?）置位模式寄存器Bit0位進(jìn)入復(fù)位模式；
?。?）設(shè)置時(shí)鐘分頻寄存器選擇時(shí)鐘頻率,、CAN模式；
?。?）設(shè)置驗(yàn)收濾波,，設(shè)定驗(yàn)證碼和屏蔽碼；
?。?）設(shè)置總線定時(shí)器寄存器0,、1設(shè)定CAN波特率；
?。?）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(shí)不檢查應(yīng)答位,；
只聽模式：此模式下SJA1000不會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤幀，用于自動(dòng)檢測波特率,；SJA1000以不同的波特率接收CAN幀,，當(dāng)收到CAN幀時(shí)，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(shí)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(bào)文到發(fā)送緩沖區(qū),；
3.啟動(dòng)發(fā)送,。
SJA1000具有一個(gè)12字節(jié)的緩沖區(qū)，要發(fā)送的報(bào)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(yàn)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(bào)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(shí)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(shí)1000ms
}
}
為什么幀ID是0x753,，這與CAN幀在緩沖區(qū)的存儲(chǔ)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(shí),，信號(hào)過沖非常嚴(yán)重,。
SJA1000有64個(gè)字節(jié)的接收緩沖區(qū)（FIFO），這可以降低對(duì)MCU的要求,。MCU可以通過查詢或中斷的方式確定SJA1000接收到報(bào)文后讀取報(bào)文,。