CAN总线解析.docx
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CAN总线解析
一、概述
CAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域网，是一种能够实现分布式实时控制的串行通信网络。
想到CAN就要想到德国的Bosch公司，因为CAN就是这个公司开发的（和Intel）CAN有很多优秀的特点，使得它能够被广泛的应用。
比如：
传输速度最高到1Mbps，通信距离最远到10KM，无损位仲裁机制，多主结构。
近些年来，CAN控制器价格越来越低，很多MCU也集成了CAN控制器。
现在每一辆汽车上都装有CAN总线。
一个典型的CAN应用场景：
二、CAN总线标准
CAN总线标准只规定了物理层和数据链路层，需要用户来自定义应用层。
不同的CAN标准仅物理层不同。
CAN收发器负责逻辑电平和物理信号之间的转换，将逻辑信号转换成物理信号（差分电平）或者将物理信号转换成逻辑电平。
CAN标准有两个，即IOS11898和IOS11519，两者差分电平特性不同。
（有信号时，CANH,CANL，即显性；没有信号时，CANH，CANL，即隐性）
IOS11898高速CAN电平中，高低电平的幅度低，对应的传输速度快。
双绞线共模消除干扰，是因为电平同时变化，电压差不变。
2.1物理层
CAN有三种接口器件
多个节点连接，只要有一个为低电平，总线就为低电平，只有所有的节点都输出高电平时，才为高电平。
所谓“线与”。
CAN总线有5个连续性相同的位后，就会插入一个相反位，产生跳变沿，用于同步。
从而消除累计误差。
和485、232一样，CAN的传输速度与距离成反比。
CAN总线终端电阻的接法：
特点：
低速CAN在CANH和CANL上串入Ω的电阻；高速CAN在CANH和CANL之间并入120Ω电阻。
为什么是120Ω，因为电缆的特性阻抗为120Ω，为了模拟无限远的传输线。
（因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100～120Ω。
）
120欧姆只是为了保证阻抗完整性，消除回波反射，提升通信可靠性的，因此，其只需要在总线最远的两端接上120欧姆电阻即可，而中间节点并不需要接（接了反而有可能会引起问题）。
因此各位在使用CANOmega做CAN总线侦听的时候，大多数情况下是不需要这个120欧姆电阻的，当然，即使当前网络中并没有终端匹配电阻，只要传输线长度不长（比如SysCan360比赛环境中，传输线只有1-2米）CAN节点数量不多的情况下，不要这个120欧姆电阻也完全可以工作，甚至，你接任意电阻都是不会有影响的。
因为此时传输线长度和波长还相差甚远，节点不多的情况下，反射波的叠加信号强度也不会很强，因此传输线效应完全可以忽略。
而哪些情况需要呢，主要就是，当使用2个CANOmega对发或者当前网络中仅有2个CAN设备的时候，此时两个端点最好都加上终端匹配电阻，当然，前面也说过了，传输线长度不长的时候，也可以不需要2端120欧姆电阻，但为了信号完整性考虑，加上这两个电阻才是严谨的。
2个120欧姆电阻的意义在于，使用USBCAN调试某些不带终端电阻的中间节点设备时，有时候CAN总线上没有2个120欧姆电阻通信可能会异常，此时可以接入2个120欧姆电阻作为2个终端电阻来作阻抗匹配，这时候其他端点不应接入任何终端电阻！
并且，这2个120欧姆电阻不可用1个60欧姆电阻代替！
125kHz载波的波长大概在（c/f）=（3e8m/s）/（125e3Hz）=，其临界长度为/10=240m>>2m，也即传输线长度不超过240m，分布阻抗带来的影响可以忽略不计
2.2数据链路层
CAN总线传输的是CAN帧，CAN的通信帧分成五种，分别为数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。
数据帧用来节点之间收发数据，是使用最多的帧类型；远程帧用来接收节点向发送节点接收数据；错误帧是某节点发现帧错误时用来向其他节点通知的帧；过载帧是接收节点用来向发送节点告知自身接收能力的帧；用于将数据帧、远程帧与前面帧隔离的帧。
数据帧根据仲裁段长度不同分为标准帧（）和扩展帧（）
2.3帧起始
帧起始由一个显性位（低电平）组成，发送节点发送帧起始，其他节点同步于帧起始；帧结束由7个隐形位（高电平）组成。
2.4仲裁段
CAN总线是如何解决多点竞争的问题由仲裁段给出答案。
CAN总线控制器在发送数据的同时监控总线电平，如果电平不同，则停止发送并做其他处理。
如果该位位于仲裁段，则退出总线竞争；如果位于其他段，则产生错误事件。
帧ID越小，优先级越高。
由于数据帧的RTR位为显性电平，远程帧为隐性电平，所以帧格式和帧ID相同的情况下，数据帧优先于远程帧；由于标准帧的IDE位为显性电平，扩展帧的IDE位为隐形电平，对于前11位ID相同的标准帧和扩展帧，标准帧优先级比扩展帧高。
2.5控制段
共6位，标准帧的控制段由扩展帧标志位IDE、保留位r0和数据长度代码DLC组成；扩展帧控制段则由IDE、r1、r0和DLC组成。
2.6数据段
为0-8字节，短帧结构，实时性好，适合汽车和工控领域；
2.7CRC段
CRC校验段由15位CRC值和CRC界定符组成。
2.8ACK段
当接收节点接收到的帧起始到CRC段都没错误时，它将在ACK段发送一个显性电平，发送节点发送隐性电平，线与结果为显性电平。
2.9远程帧
远程帧分为6个段，也分为标准帧和扩展帧，且RTR位为1（隐性电平）
CAN是可靠性很高的总线，但是它也有五种错误。
CRC错误：
发送与接收的CRC值不同发生该错误；
格式错误：
帧格式不合法发生该错误；
应答错误：
发送节点在ACK阶段没有收到应答信息发生该错误；
位发送错误：
发送节点在发送信息时发现总线电平与发送电平不符发生该错误；
位填充错误：
通信线缆上违反通信规则时发生该错误。
当发生这五种错误之一时，发送节点或接受节点将发送错误帧
为防止某些节点自身出错而一直发送错误帧，干扰其他节点通信，CAN协议规定了节点的3种状态及行为。
2.10过载帧
当某节点没有做好接收的"准备"时，将发送过载帧，以通知发送节点。
2.11帧间隔
用来隔离数据帧、远程帧与他们前面的帧，错误帧和过载帧前面不加帧间隔。
2.12构建CAN节点
构建节点，实现相应控制，由底向上分为四个部分：
CAN节点电路、CAN控制器驱动、CAN应用层协议、CAN节点应用程序。
虽然不同节点完成的功能不同，但是都有相同的硬件和软件结构。
CAN收发器和控制器分别对应CAN的物理层和数据链路层，完成CAN报文的收发；功能电路，完成特定的功能，如信号采集或控制外设等；主控制器与应用软件按照CAN报文格式解析报文，完成相应控制。
CAN硬件驱动是运行在主控制器（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、发送CAN报文、接收CAN报文；
如果直接使用CAN硬件驱动，当更换控制器时，需要修改上层应用程序，移植性差。
在应用层和硬件驱动层加入虚拟驱动层，能够屏蔽不同CAN控制器的差异。
一个CAN节点除了完成通信的功能，还包括一些特定的硬件功能电路，功能电路驱动向下直接控制功能电路，向上为应用层提供控制功能电路函数接口。
特定功能包括信号采集、人机显示等。
CAN收发器是实现CAN控制器逻辑电平与CAN总线上差分电平的互换。
实现CAN收发器的方案有两种，一是使用CAN收发IC（需要加电源隔离和电气隔离），另一种是使用CAN隔离收发模块。
推荐使用第二种。
CAN控制器是CAN的核心元件，它实现了CAN协议中数据链路层的全部功能，能够自动完成CAN协议的解析。
CAN控制器一般有两种，一种是控制器IC（SJA1000），另一种是集成CAN控制器的MCU（LPC11C00）。
MCU负责实现对功能电路和CAN控制器的控制：
在节点启动时，初始化CAN控制器参数；通过CAN控制器读取和发送CAN帧；在CAN控制器发生中断时，处理CAN控制器的中断异常；根据接收到的数据输出控制信号；
接口管理逻辑：
解释MCU指令，寻址CAN控制器中的各功能模块的寄存器单元，向主控制器提供中断信息和状态信息。
发送缓冲区和接收缓冲区能够存储CAN总线网络上的完整信息。
验收滤波是将存储的验证码与CAN报文识别码进行比较，跟验证码匹配的CAN帧才会存储到接收缓冲区。
CAN内核实现了数据链路的全部协议。
2.13CAN协议应用层概述
CAN总线只提供可靠的传输服务，所以节点接收报文时，要通过应用层协议来判断是谁发来的数据、数据代表了什么含义。
常见的CAN应用层协议有：
CANOpen、DeviceNet、J1939、iCAN等。
CAN应用层协议驱动是运行在主控制器（如P89V51）上的程序，它按照应用层协议来对CAN报文进行定义、完成CAN报文的解析与拼装。
例如，我们将帧ID用来表示节点地址，当接收到的帧ID与自身节点ID不通过时，就直接丢弃，否则交给上层处理；发送时，将帧ID设置为接收节点的地址。
2.14CAN收发器
SJA1000的输出模式有很多，使用最多的是正常输出模式，输入模式通常不选择比较器模式，可以增大通信距离，并且减少休眠下的电流。
收发器按照通信速度分为高速CAN收发器和容错CAN收发器。
同一网络中要使用相同的CAN收发器。
CAN连接线上会有很多干扰信号，需要在硬件上添加滤波器和抗干扰电路。
也可以使用CAN隔离收发器（集成滤波器和抗干扰电路）。
CAN控制器与MCU的连接方式
SJA1000可被视为外扩RAM，地址宽度8位，最多支持256个寄存器
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#defineREG_BASE_ADDR0xA000
测状态寄存器，等待发送缓冲区可用；
2.填充报文到发送缓冲区；
3.启动发送。
SJA1000具有一个12字节的缓冲区，要发送的报文可以通过寄存器16-28写入，也可通过寄存器96-108写入或读出
设置发送模式
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char SetSJASendCmd（unsigned char cmd）{
unsigned char ret;
switch （cmd）{
default:
case 0:
ret=SetBitMask（REG_CAN_CMR,TR_BIT）; //正常发送
break;
case 1:
ret=SetBitMask（REG_CAN_CMR,TR_BIT|AT_BIT）; //单次发送
break;
case 2:
ret=SetBitMask（REG_CAN_CMR,TR_BIT|SRR_BIT）;//自收自发
break;
case 0xff:
ret=SetBitMask（REG_CAN_CMR,AT_BIT）;//终止发送
break;
}
return ret;
}
发送函数
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unsigned char SJA_CAN_Filter[8]={ //定义验收滤波器的参数，接收所有帧
0x00,0x00,0x00,0x00,
//ACR0~ACR3
0xff,0xff,0xff,0xff
//AMR0~AMR3
};
unsigned char STD_SEND_BUFFER[11]={ //CAN发送报文缓冲区
0x08, //帧信息，标准数据帧，数据长度=8
0xEA,0x60, //帧ID=0x753
0x55,0x55,0x55,0x55,0xaa,0xaa,0xaa,0xaa //帧数据
};
void main（void） //主函数，程序入口
{
timerInit（）;//初始化
D1=0;
SJA1000_RST=1; //硬件复位SJA1000
timerDelay（50）; //延时500ms
SJA1000_RST=0;
SJA1000_Init（0x00,0x14,SJA_CAN_Filter）; //初始化SJA1000，设置波特率为1Mbps
//无限循环，main（）函数不允许返回
for（;;）{
SJASendData（STD_SEND_BUFFER,0x0）;
timerDelay（100）; //延时1000ms
}
}
为什么帧ID是0x753，这与CAN帧在缓冲区的存储格式有关。
终端电阻非常重要，当波特率较高而且没加终端电阻时，信号过冲非常严重。
SJA1000有64个字节的接收缓冲区（FIFO），这可以降低对MCU的要求。
MCU可以通过查询或中断的方式确定SJA1000接收到报文后读取报文。
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