嵌入式的工程師一般都知道CAN總線廣泛應用到汽車中，其實船艦電子設(shè)備通信也廣泛使用CAN,，隨著國家對海防的越來越重視,，對CAN的需求也會越來越大。這個暑假,，通過參加蘇州社會實踐,，去某船舶電氣公司實習幾周，也借此機會,，學習了一下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)分布式實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò),。

　　想到CAN就要想到德國的Bosch公司，因為CAN就是這個公司開發(fā)的（和Intel）

　　CAN有很多優(yōu)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，通信距離最遠到10km,，無損位仲裁機制,，多主結(jié)構(gòu),。

　　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?，F(xiàn)在每一輛汽車上都裝有CAN總線。

　　一個典型的CAN應用場景：

　　CAN總線標準

　　CAN總線標準只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)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(fā)器負責邏輯電平和物理信號之間的轉(zhuǎn)換,。

　　將邏輯信號轉(zhuǎn)換成物理信號（差分電平）,，或者將物理信號轉(zhuǎn)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(jié)點連接，只要有一個為低電平,，總線就為低電平,，只有所有節(jié)點輸出高電平時，才為高電平,。所謂"線與",。

　　CAN總線有5個連續(xù)相同位后，就插入一個相反位,，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，因為電纜的特性阻抗為120Ω,，為了模擬無限遠的傳輸線

　　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,、遠程幀,、錯誤幀,、過載幀和幀間隔。

　　數(shù)據(jù)幀用來節(jié)點之間收發(fā)數(shù)據(jù),，是使用最多的幀類型,；遠程幀用來接收節(jié)點向發(fā)送節(jié)點接收數(shù)據(jù)；錯誤幀是某節(jié)點發(fā)現(xiàn)幀錯誤時用來向其他節(jié)點通知的幀,；過載幀是接收節(jié)點用來向發(fā)送節(jié)點告知自身接收能力的幀,；用于將數(shù)據(jù)幀、遠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(fā)送節(jié)點發(fā)送幀起始，其他節(jié)點同步于幀起始,；

　　幀結(jié)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(fā)送數(shù)據(jù)的同時監(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)生錯誤事件,。

　　幀ID越小，優(yōu)先級越高,。由于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀優(yōu)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(yōu)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(shù)據(jù)長度代碼DLC組成；擴展幀控制段則由IDE,、r1、r0和DLC組成,。

　　數(shù)據(jù)段

　　為0-8字節(jié),，短幀結(jié)構(gòu),，實時性好，適合汽車和工控領(lǐng)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(jié)點接收到的幀起始到CRC段都沒錯誤時，它將在ACK段發(fā)送一個顯性電平,，發(fā)送節(jié)點發(fā)送隱性電平,，線與結(jié)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(fā)送與接收的CRC值不同發(fā)生該錯誤,；

　　格式錯誤：幀格式不合法發(fā)生該錯誤；

　　應答錯誤：發(fā)送節(jié)點在ACK階段沒有收到應答信息發(fā)生該錯誤,；

　　位發(fā)送錯誤：發(fā)送節(jié)點在發(fā)送信息時發(fā)現(xiàn)總線電平與發(fā)送電平不符發(fā)生該錯誤,；

　　位填充錯誤：通信線纜上違反通信規(guī)則時發(fā)生該錯誤。

　　當發(fā)生這五種錯誤之一時,，發(fā)送節(jié)點或接受節(jié)點將發(fā)送錯誤幀

　　為防止某些節(jié)點自身出錯而一直發(fā)送錯誤幀,，干擾其他節(jié)點通信，CAN協(xié)議規(guī)定了節(jié)點的3種狀態(tài)及行為

　　過載幀

　　當某節(jié)點沒有做好接收的"準備"時,，將發(fā)送過載幀,，以通知發(fā)送節(jié)點。

　　幀間隔

　　用來隔離數(shù)據(jù)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。

　　//好好理解1.6最后一張ppt

　　構(gòu)建CAN節(jié)點

　　構(gòu)建節(jié)點,，實現(xiàn)相應控制,，由底向上分為四個部分：CAN節(jié)點電路、CAN控制器驅(qū)動,、CAN應用層協(xié)議,、CAN節(jié)點應用程序。

　　雖然不同節(jié)點完成的功能不同,，但是都有相同的硬件和軟件結(jié)構(gòu),。

　　CAN收發(fā)器和控制器分別對應CAN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，完成CAN報文的收發(fā),；功能電路,，完成特定的功能，如信號采集或控制外設(shè)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(qū)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(fā)送CAN報文、接收CAN報文,；

　　如果直接使用CAN硬件驅(qū)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(qū)動層加入虛擬驅(qū)動層，能夠屏蔽不同CAN控制器的差異,。

　　一個CAN節(jié)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(qū)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(shù)接口,。特定功能包括信號采集、人機顯示等,。

　　CAN收發(fā)器是實現(xiàn)CAN控制器邏輯電平與CAN總線上差分電平的互換,。實現(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,，它實現(xiàn)了CAN協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能,，能夠自動完成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負責實現(xiàn)對功能電路和CAN控制器的控制：在節(jié)點啟動時,，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,，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；

　　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CAN總線網(wǎng)絡(luò)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(qū),。

　　CAN內(nèi)核實現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈路的全部協(xié)議。

　　CAN協(xié)議應用層概述

　　CAN總線只提供可靠的傳輸服務,，所以節(jié)點接收報文時，要通過應用層協(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應用層協(xié)議有：CANOpen、DeviceNet,、J1939,、iCAN等。

　　CAN應用層協(xié)議驅(qū)動是運行在主控制器（如P89V51）上的程序,，它按照應用層協(xié)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(jié)點地址,，當接收到的幀ID與自身節(jié)點ID不通過時，就直接丟棄,，否則交給上層處理,；發(fā)送時，將幀ID設(shè)置為接收節(jié)點的地址,。

　　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連接線上會有很多干擾信號，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));

　　}

　　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：

　　每個程序包含用到的頭文件

　　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(jié)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(jù)實際情況作出調(diào)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(tài),，必須初始化后才能工作。

　?。?）置位模式寄存器Bit0位進入復位模式,；

　　（2）設(shè)置時鐘分頻寄存器選擇時鐘頻率、CAN模式,；

　?。?）設(shè)置驗收濾波，設(shè)定驗證碼和屏蔽碼,；

　?。?）設(shè)置總線定時器寄存器0、1設(shè)定CAN波特率,；

　?。?）設(shè)置輸出模式；

　?。?）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(fā)送CAN幀時不檢查應答位；

　　只聽模式：此模式下SJA1000不會發(fā)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(shè)置

　　CAN總線無時鐘，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.填充報文到發(fā)送緩沖區(qū),；

　　3.啟動發(fā)送。

　　SJA1000具有一個12字節(jié)的緩沖區(qū),，要發(fā)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

　　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)送報文緩沖區(qū)

　　0x08,   // 幀信息,，標準數(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; // 硬件復位SJA1000

　　timerDelay(50); // 延時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1000ms

　　}

　　}

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

　　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(jié)的接收緩沖區(qū)（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。