CAN总线解析.docx
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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,CANH3.5V,CANL1.5V,即显性;没有信号时,CANH2.5V,CANL2.5V,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2.2kΩ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)=2.4km,其临界长度为2.4kM/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(2.0A)和扩展帧(2.0B)
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//寄存器基址
unsigned char *SJA_CS_Point=(unsigned char *)REG_BASE_ADDR;
//写SJA1000寄存器
void WriteSJAReg(unsigned char RegAddr,unsigned char Value){
*(SJA_CS_Point+RegAddr)=Value;
return;
}
//读SJA1000寄存器
unsigned char ReadSJAReg(unsigned char RegAddr){
return (*(SJA_CS_Point+RegAddr));
}
将缓存区的数据连续写入寄存器
……for(i=0;i 将连续多个寄存器连续读入缓存区 ……for(i=0;i 头文件包含方案: 每个程序包含用到的头文件 每个程序包含一个公用头文件,公用头文件包含所有其他头文件 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 #ifndef__CONFIG_H__//防止头文件被重复包含 #define__CONFIG_H__ #include<8051.h> //包含80C51寄存器定义头文件 #include"SJA1000REG.h" //包含SJA1000寄存器定义头文件 //定义取字节运算 #defineLOW_BYTE(x) (unsignedchar)(x) #defineHIGH_BYTE(x) (unsignedchar)((unsignedint)(x)>>8) //定义振荡器时钟和处理器时钟频率(用户可以根据实际情况作出调整) #defineOSCCLK11059200UL //宏定义MCU的时钟频率 #defineCPUCLK(OSCCLK/12) #endif//__CONFIG_H__ SJA1000上电后处于复位状态,必须初始化后才能工作。 (1)置位模式寄存器Bit0位进入复位模式; (2)设置时钟分频寄存器选择时钟频率、CAN模式; (3)设置验收滤波,设定验证码和屏蔽码; (4)设置总线定时器寄存器0、1设定CAN波特率; (5)设置输出模式; (6)清零模式寄存器Bit0位退出复位模式; 模式寄存器 只检测模式: SJA1000发送CAN帧时不检查应答位; 只听模式: 此模式下SJA1000不会发送错误帧,用于自动检测波特率;SJA1000以不同的波特率接收CAN帧,当收到CAN帧时,表明当前波特率与总线波特率相同。 2.15波特率设置 CAN总线无时钟,使用异步串行传输;波特率是1秒发送的数据位; 2.16CAN帧发送: 发送CAN帧的步骤: 1.检测状态寄存器,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 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 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。 (范文素材和资料部分来自网络,供参考。 可复制、编制,期待你的好评与关注)
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