嵌入式演示can總線

1、CAN總線組員：曹冠華、李晉豫、郭欣 控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network 簡(jiǎn)稱(chēng)CAN）主要用于各種過(guò)程（設(shè)備）監(jiān)測(cè)及控制。CAN最初是由德國(guó)的Bosch公司為汽車(chē)的監(jiān)測(cè)與控制設(shè)計(jì)的，但由于CAN總線本身的突出特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域目前已不再局限于汽車(chē)行業(yè)，而向過(guò)程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。由于其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線越來(lái)越受到人們的重視，國(guó)際上已經(jīng)有很多大公司的產(chǎn)品采用了這一技術(shù)。CAN已經(jīng)形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），并已成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術(shù)之一。 CAN（Controller Area Network）屬

2、于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。CAN系統(tǒng)中，協(xié)議功能多數(shù)由硬件完成，這個(gè)硬件稱(chēng)為CAN控制器（CAN Controller）。根據(jù)功能，CAN控制器又被分為“全CAN控制器”和“基本CAN控制器”。實(shí)現(xiàn)方式單片機(jī)外掛獨(dú)立的CAN控制器，,如Philip s公司的PCA82C200、SJA1000以及Intel公司的82526、82527 等芯片。MCU內(nèi)部集成CAN模塊。CAN總線技術(shù)的特點(diǎn)CAN是目前為止唯一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN的直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km；通信速率最高可達(dá)1

3、Mbps；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最大可達(dá)8個(gè)字節(jié)。CAN的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)。CAN 為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，通信方式靈活，且無(wú)需站地址等節(jié)點(diǎn)信息。利用這一特點(diǎn)可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)；CAN 采用非破壞性具有優(yōu)先級(jí)控制的載波偵聽(tīng)及碰撞檢測(cè)機(jī)制(CSMA/CD)總線仲裁技術(shù)。這些措施在保證了信道利用率的同時(shí)也提高了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；功能描述此MCU的CAN模塊主要分為三個(gè)部分： CAN協(xié)議控制器和報(bào)文處理;報(bào)文存儲(chǔ);CAN寄存器接口報(bào)文傳輸?shù)膬?nèi)容包括：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和過(guò)載幀帶有11-bit的標(biāo)示符（標(biāo)準(zhǔn)），也支持29-b

4、it 標(biāo)示符 (擴(kuò)展)。 數(shù)據(jù)幀：將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌鳌?遠(yuǎn)程幀：請(qǐng)求發(fā)送具有同一標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)幀：任何單元檢測(cè)到總線數(shù)據(jù)就發(fā)出 錯(cuò)誤幀。 過(guò)載幀：用在相鄰數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間提 供附加的延時(shí)。 數(shù)據(jù)幀報(bào)文廣播節(jié)點(diǎn)A傳送一個(gè)報(bào)文節(jié)點(diǎn)B,C和D收到此報(bào)文節(jié)點(diǎn)B和D接受此報(bào)文，節(jié)點(diǎn)C拒絕。遠(yuǎn)程幀報(bào)文請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)A發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀（請(qǐng)求）節(jié)點(diǎn)B,C,D接收?qǐng)?bào)文節(jié)點(diǎn)D接受，節(jié)點(diǎn)B&C拒絕幀起始（SOF）：標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，僅由1位顯性位組成。幀結(jié)尾（EOF）：標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的結(jié)束，由7位隱性位組成。仲裁域（Arbitration Field）：11位標(biāo)識(shí)符或者29位標(biāo)識(shí)符；遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求

5、位RTR在數(shù)據(jù)幀必須為顯性，而在遠(yuǎn)程幀必須為隱性；CAN控制器的過(guò)濾功能可以在這里實(shí)現(xiàn)?？刂朴颍簲?shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼（DLC），指示數(shù)據(jù)幀的字節(jié)數(shù)目；DLC可以設(shè)置0到8的數(shù)字表示數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；兩位保留位r1和r0，用于擴(kuò)展格式幀。保留位必須全部以顯性電平發(fā)送，但接收方可以接收顯性、隱性及其任意組合的電平。數(shù)據(jù)域：可以為08個(gè)字節(jié)，首先發(fā)送MSB（最高位）；一般情況下都是8個(gè)字節(jié)；每個(gè)字節(jié)可以存儲(chǔ)任意的數(shù)；有一些CAN控制器將ID過(guò)濾擴(kuò)展到該域。應(yīng)答域：接收確認(rèn)機(jī)制，保證至少有一個(gè)接收器真確接收到數(shù)據(jù)。循環(huán)冗余碼（CRC）域：對(duì)幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域上的位進(jìn)行校驗(yàn)；CRC校驗(yàn)僅僅是CAN通訊的一

6、種錯(cuò)誤檢測(cè)。 初始化CAN總線的初始化主要包括模式寄存器的設(shè)置，中斷方式的設(shè)置，波特率的設(shè)置，還有錯(cuò)誤警告，發(fā)送優(yōu)先級(jí)模式寄存器的設(shè)置等。一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置CAN控制器的寄存器，初始化后才能使其進(jìn)行通信工作。一般在CAN控制器復(fù)位后進(jìn)行初始化，復(fù)位有三種基本形式：一是上電復(fù)位；二是硬件復(fù)位；三是軟件復(fù)位，即運(yùn)行期間通過(guò)給CAN控制器發(fā)一個(gè)置復(fù)位請(qǐng)求位的復(fù)位請(qǐng)求。 CAN總線分層結(jié)構(gòu)CAN定義了ISO/OSI 網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放系統(tǒng)模型的最低兩層，即數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，主要是數(shù)據(jù)鏈路層。 CAN2.0的分層結(jié)構(gòu)如右圖,是按ISO/OSI模型對(duì)CAN結(jié)構(gòu)的描述。數(shù)據(jù)鏈路層又分為邏輯鏈路控（LL

7、C）和媒體訪問(wèn)控制（MAC）兩個(gè)子層。LLC層完成下列功能：CAN總線通信模式第一，“載波監(jiān)測(cè)，多主掌控/沖突避免 這就允許總線上的任一設(shè)備有同等的機(jī)會(huì)取得總線的控制 權(quán)來(lái)向外界發(fā)送信息，如果在同一時(shí)刻有兩個(gè)以上的設(shè)備欲發(fā)送信息，就會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，CAN總線能 夠時(shí)刻地檢測(cè)這些沖突情況并作出相應(yīng)的沖裁而不會(huì)破壞待傳的信息；第二，信息報(bào)文在傳送時(shí)不是基于目的站點(diǎn)地址； 這就允許不同的信息以“廣播”的形式發(fā)送到所有節(jié)點(diǎn)并且 可在不改變信息格式的前提下對(duì)報(bào)文進(jìn)行不同配置；第三，CAN總線是一種高速，具備復(fù)雜的錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)能力的高可靠性強(qiáng)有力的網(wǎng)絡(luò)。1、CSMA/CD載波監(jiān)測(cè)，多主掌控/沖突避免 “

8、載波監(jiān)測(cè)”的意思是指在總線上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息 報(bào)文前都必須監(jiān)測(cè)到總線上有一段時(shí)間的空閑狀態(tài)。 “多主掌控”的意思是一旦此一空閑狀態(tài)被監(jiān)測(cè)到，那么每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有均等的機(jī)會(huì)來(lái)發(fā)送報(bào)文。 “沖突避免”是指在兩上節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息時(shí)，節(jié)點(diǎn)本身首先會(huì)檢測(cè)到出現(xiàn)沖突，然后采取相應(yīng)的措施來(lái)解決這一沖突情況。此時(shí)優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文先發(fā)送，低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文發(fā)送會(huì)暫停。在CAN總線協(xié)議中是通過(guò)一種非破壞性的仲裁方式來(lái)實(shí)現(xiàn)沖突檢測(cè)。這也就意味著當(dāng)總線出現(xiàn)發(fā)送沖突時(shí)，通過(guò)仲裁后原發(fā)送信息不會(huì)受到任何影響。所有的仲裁判別都不會(huì)破壞優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文信息內(nèi)容，也不會(huì)對(duì)其發(fā)送產(chǎn)生任何的時(shí)延。2、基于報(bào)文的通訊 CAN總線是一個(gè)基于報(bào)

9、文而不是基于站點(diǎn)地址的協(xié)議。也就是說(shuō)報(bào)文不是按照地址從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。CAN總線上報(bào)文所包含的內(nèi)容只有優(yōu)先級(jí)標(biāo)志區(qū)和欲傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容。所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)接收到在總線上傳送的報(bào)文，并在正確接后發(fā)出應(yīng)答確認(rèn)。至于該報(bào)文是否要做進(jìn)一步的處理或被丟棄將完全取決于接收節(jié)點(diǎn)本身。同一個(gè)報(bào)文可以發(fā)送給特定的站點(diǎn)或許多站點(diǎn)，就看你怎樣去設(shè)計(jì)你的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)。 基于報(bào)文的這種協(xié)議另外一個(gè)好處是新的節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)方便地加入到現(xiàn)有的系統(tǒng)中，而不需對(duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新編程以便它們能識(shí)別這一新節(jié)點(diǎn)。一旦新節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中，它就開(kāi)始接收信息，判別信息標(biāo)識(shí)，然后決定是否作處理或直接丟棄。CAN總線定義了四種不同的幀,用于總線

10、通訊。 1、最常用的是“數(shù)據(jù)幀”，用于一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送信息到其它任一或所有節(jié)點(diǎn)； 2、“遠(yuǎn)端幀”，基本上是一個(gè)數(shù)據(jù)幀但其中的RTR位被置1，表明這是一個(gè)“遠(yuǎn)端發(fā)送請(qǐng)求”，用于一個(gè)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)要求其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息； 3 、“錯(cuò)誤幀”，如果節(jié)點(diǎn)在接收過(guò)程中檢測(cè)到任一在CAN總線協(xié)議中定義了的錯(cuò)誤信息，它就會(huì)發(fā)送一個(gè)錯(cuò)誤幀。 4、“過(guò)載幀”，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)正忙于處理接收的信息，需要額外的等待時(shí)間接收下一報(bào)文時(shí)，可以發(fā)送過(guò)載幀，通知其它節(jié)點(diǎn)暫緩發(fā)送新報(bào)文。3、CAN總線是一種高速的，具備復(fù)雜的錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)能力的高可靠性強(qiáng)有力的網(wǎng)絡(luò)（1）高速性： CAN總線一開(kāi)始是為汽車(chē)工業(yè)而設(shè)計(jì)的，如 果要使這一市場(chǎng)能夠接受它

11、，一個(gè)能高效處理出錯(cuò)情況的 通訊協(xié)議是至關(guān)重要的。在發(fā)布了2.0B版的CAN總線技術(shù) 規(guī)范后，其最大的通訊速率已經(jīng)比1.0版提高了8倍，達(dá)1M 位/秒,在這種速率下，即便是對(duì)時(shí)間要求非常關(guān)鍵的參數(shù) 也可以通過(guò)CAN總線傳輸而不必?fù)?dān)心其時(shí)延。（2）CAN總線協(xié)議有一套完整的差錯(cuò)管理機(jī)制 能夠自動(dòng)地檢測(cè)出這些錯(cuò)誤信息，由此保證了被傳信 息的正確必性和完整性。發(fā)送/接收器發(fā)送/接受器在兩條線的CAN網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信號(hào)時(shí)，一條線稱(chēng)為CAN-HIGH，另一條稱(chēng)為CAN-LOW，兩條線上是差動(dòng)信號(hào)，具體電平和特性取決于適用的標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)規(guī)范。 一個(gè)適用于ISO11898-2的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示，發(fā)送/接收 器與

12、總線通過(guò)兩條線（CAN-HIGH，CAN-LOW）連接，總線兩端有120歐姆的吸收電阻。CAN網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的特性有很大影響，CAN網(wǎng)絡(luò)一般采用總線結(jié)構(gòu)，但又有多種具體連接方式。在一定的應(yīng)用環(huán)境下，CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇的原則是：在同樣的硬件參數(shù)下，盡量提高網(wǎng)絡(luò)的電磁兼容性。另外，為實(shí)現(xiàn)一些特定情況的要求有時(shí)需要采用一些特殊結(jié)構(gòu)，如無(wú)線連接等。CAN網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如下圖所示?？偩€媒介物理媒體必須支持“顯性”和“隱性”總線層。顯性位始終優(yōu)先于隱性位，特別是在總線仲裁中。屏蔽雙絞線避免信號(hào)反射?？偩€拓?fù)銲SO11898標(biāo)準(zhǔn)總線拓?fù)淇偩€鏈接 位定時(shí)與同步位定時(shí)是一個(gè)位時(shí)間域中的時(shí)間關(guān)系。一個(gè)位

13、的時(shí)間長(zhǎng)度取決于傳輸速率。標(biāo)稱(chēng)傳輸速率（NBR, Nominal Bit Rate）是在沒(méi)有再同步狀態(tài)下，一個(gè)理想發(fā)送端每秒發(fā)送的二進(jìn)制位數(shù)。標(biāo)稱(chēng)位時(shí)間長(zhǎng)度(NBT, Nominal Bit Time)為： NBT=1/NBR有關(guān)CAN總線中位定時(shí)要求包括如下一些重要概念。 正常位時(shí)間可分為幾個(gè)互不重疊的時(shí)間段。這些時(shí)間段包 括：同步段(SYNCSEG)、傳播段(PROPSEG)、相位緩沖段1(PHASESEG1)和相位緩沖段2(PHASESEG2)。SYNC-SEG段用于同步總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，在這個(gè)時(shí)間段中出現(xiàn)位值的沿跳變。PROP-SEG段用于補(bǔ)償物理層信號(hào)傳輸?shù)难訒r(shí)，它至少應(yīng)不小于總線延

14、時(shí)、輸入比較器延時(shí)、和輸出驅(qū)動(dòng)延時(shí)總和的兩倍。PHASE-SEG1段和PHASE-SEG2段用于補(bǔ)償跳變沿狀態(tài)錯(cuò)誤，根據(jù)再同步情況適當(dāng)選擇其長(zhǎng)度。采樣點(diǎn)（Sample Point）是讀取總線狀態(tài)并確定其代表的值的時(shí)刻，它處于PHASE-SEG1時(shí)間段。信息處理時(shí)間（IPT，Information Processing Time）是從采樣點(diǎn)開(kāi)始用于處理采樣信號(hào)的時(shí)間。這里的時(shí)間基準(zhǔn)單位是時(shí)間基準(zhǔn)單元（TQ，Time Quantum），它是由振蕩器周期產(chǎn)生的固定時(shí)間長(zhǎng)度，可以通過(guò)編程設(shè)定為不同的振蕩器周期倍數(shù)。它是CAN所有活動(dòng)的最小時(shí)間單元。 CAN控制器結(jié)構(gòu)CAN控制器包括實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議的控制

15、電路、CPU接口、接收/發(fā)送緩沖器和硬件接收過(guò)濾電路。 協(xié)議控制器是CAN控制器的核心，它完成數(shù)據(jù)解包、幀編碼、錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤信令、應(yīng)答、位編碼以及同步等CAN協(xié)議要求的功能。 接收過(guò)濾電路完成對(duì)接收到的信息進(jìn)行甄別的功能。API functionsAPI 提供了一系列處理CAN的函數(shù)。提供的函數(shù)可以配置CAN 控制器，配置message objects，處理中斷。Data Structures: tCANBitClkParms tCANMsgObjectDefines: CAN_INT_ERROR CAN_MASTER CAN_INT_STATUS CAN_STATUS_BUS_OFF CA

16、N_STATUS_EPASS CAN_STATUS_EWARN CAN_STATUS_LEC_ACK CAN_STATUS_LEC_BIT0 CAN_STATUS_LEC_BIT1 CAN_STATUS_LEC_CRCEnumerations: tCANIntStsReg tCANStsReg tMsgObjTYPEFunctions:Data StructurestCANBitClkParms Definition: typedef struct unit32_t ui32SyncProPhaselSeg; uint32_t ui32Phase2Seg; uint32_t ui32SJW;

17、uint32_t ui32QuantumPrescaler; tCANBitClkParms 這個(gè)結(jié)構(gòu)用來(lái)封裝與CAN 控制器設(shè)置位時(shí)間相關(guān)的值。在CANGetBitTiming CANSetBitTiming 功能中會(huì)用到這個(gè)結(jié)構(gòu)。DefinesCAN_INT_ERRORDefinition：#define CAN_INT_ERROR這個(gè)標(biāo)示用于使CAN控制器產(chǎn)生錯(cuò)誤中斷。CAN_INT_MASTERDefinition：#define CAN_INT_MASTER這個(gè)標(biāo)示用于使CAN 控制器產(chǎn)生任意中斷。若沒(méi)有設(shè)置這個(gè)標(biāo)示，那么將不會(huì)產(chǎn)生中斷。CAN_STATUS_BUS_OFFDefin

18、ition：#define CAN_STATUS_BUS_OFF標(biāo)示CAN 控制器已經(jīng)進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)。EnumerationstCANIntStsReg（確認(rèn)中斷狀態(tài)寄存器）CAN_INT_STS_CAUCE 讀取CAN中斷狀態(tài)信息。CAN_INT_STS_OBJECT 讀取信息目標(biāo)的中斷狀態(tài)。tMsgObjType (確定通過(guò)請(qǐng)求設(shè)置的消息對(duì)象的類(lèi)型)MSG_OBJ_TYPE_TXMSG_OBJ_TYPE_TX_REMOTEMSG_OBJ_TYPE_RXMSG_OBJ_TYPE_RX_REMOTEMSG_OBJ_TYPE_RXTX_REMOTEFunctionCANBitRateSet標(biāo)準(zhǔn)形式：uint 32_tCANBitRateSet(uint32_t ui32Base, uint32_t ui32SourseClock, uint32_t ui32BitRate)返回：返回比特率：確認(rèn)CAN控制器可以使用 返回0：比特率沒(méi)有改變（因?yàn)檎?qǐng)求的比特率是無(wú)效的）* ui32Base：CAN控制器的基地址 ui32SourseClock：系統(tǒng)時(shí)鐘 ui32BitRate：期望的比特率FunctionCANBitTimingGet(讀取CAN控制器位時(shí)間的設(shè)置)標(biāo)準(zhǔn)形式：voidCANBitTimingGet(uint32_t