嵌入式必懂的 CAN 總線，真的講到位了！！
嵌入式的工程師一般都知道 CAN 總線廣泛應用到汽車中，其實船艦電子設備通信也廣泛使用 CAN，隨着國家對海防的越來越重視，對 CAN 的需求也會越來越大。
概述
CAN（Controller Area Network）即控制器局域網，是一種能夠實現分佈式實時控制的串行通信網絡。
想到 CAN 就要想到德國的 Bosch 公司，因爲 CAN 就是這個公司開發的（和 Intel）。
CAN 有很多優秀的特點，使得它能夠被廣泛地應用。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，多主結構。
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。現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 總線標準只規定了物理層和數據鏈路層，需要用戶自定義應用層。不同的 CAN 標準僅物理層不同。
CAN 收發器負責邏輯電平和物理信號之間的轉換。
將邏輯信號轉換成物理信號（差分電平），或者將物理信號轉換成邏輯電平。
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，是因爲電平同時變化，電壓差不變。
物理層
CAN 有三種接口器件：
多個節點連接，只要有一個爲低電平，總線就爲低電平，只有所有節點輸出高電平時，才爲高電平。所謂 "線與"。
CAN 總線有 5 個連續相同位後，就插入一個相反位，產生跳變沿，用於同步。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：
爲什麼是 120Ω，因爲電纜的特性阻抗爲 120Ω，爲了模擬無限遠的傳輸線。
數據鏈路層
CAN 總線傳輸的是 CAN 幀，CAN 的通信幀分成五種，分別爲數據幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀和幀間隔。
數據幀用來節點之間收發數據，是使用最多的幀類型；遠程幀用來接收節點向發送節點接收數據；錯誤幀是某節點發現幀錯誤時用來向其他節點通知的幀；過載幀是接收節點用來向發送節點告知自身接收能力的幀；用於將數據幀、遠程幀與前面幀隔離的幀。
數據幀根據仲裁段長度不同分爲標準幀（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，發送節點發送幀起始，其他節點同步於幀起始；
幀結束由 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 總線控制器在發送數據的同時監控總線電平，如果電平不同，則停止發送並做其他處理。如果該位位於仲裁段，則退出總線競爭；如果位於其他段，則產生錯誤事件。
幀 ID 越小，優先級越高。由於數據幀的 RTR 位爲顯性電平，遠程幀爲隱性電平，所以幀格式和幀 ID 相同的情況下，數據幀優先於遠程幀；由於標準幀的 IDE 位爲顯性電平，擴展幀的 IDE 位爲隱形電平，對於前 11 位 ID 相同的標準幀和擴展幀，標準幀優先級比擴展幀高。
控制段
共 6 位，標準幀的控制段由擴展幀標誌位 IDE、保留位 r0 和數據長度代碼 DLC 組成；擴展幀控制段則由 IDE、r1、r0 和 DLC 組成。
數據段
爲 0-8 字節，短幀結構，實時性好，適合汽車和工控領域；
CRC 段
CRC 校驗段由 15 位 CRC 值和 CRC 界定符組成。
ACK 段
當接收節點接收到的幀起始到 CRC 段都沒錯誤時，它將在 ACK 段發送一個顯性電平，發送節點發送隱性電平，線與結果爲顯性電平。
遠程幀
遠程幀分爲 6 個段，也分爲標準幀和擴展幀，且 RTR 位爲 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：發送與接收的 CRC 值不同發生該錯誤；
格式錯誤：幀格式不合法發生該錯誤；
應答錯誤：發送節點在 ACK 階段沒有收到應答信息發生該錯誤；
位發送錯誤：發送節點在發送信息時發現總線電平與發送電平不符發生該錯誤；
位填充錯誤：通信線纜上違反通信規則時發生該錯誤。
當發生這五種錯誤之一時，發送節點或接受節點將發送錯誤幀。
爲防止某些節點自身出錯而一直髮送錯誤幀，干擾其他節點通信，CAN 協議規定了節點的 3 種狀態及行爲。
過載幀
當某節點沒有做好接收的 "準備" 時，將發送過載幀，以通知發送節點。
幀間隔
用來隔離數據幀、遠程幀與他們前面的幀，錯誤幀和過載幀前面不加幀間隔。
構建 CAN 節點
構建節點，實現相應控制，由底向上分爲四個部分：CAN 節點電路、CAN 控制器驅動、CAN 應用層協議、CAN 節點應用程序。
雖然不同節點完成的功能不同，但是都有相同的硬件和軟件結構。
CAN 收發器和控制器分別對應 CAN 的物理層和數據鏈路層，完成 CAN 報文的收發；功能電路，完成特定的功能，如信號採集或控制外設等；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：基於寄存器的操作，初始化 CAN 控制器、發送 CAN 報文、接收 CAN 報文；
如果直接使用 CAN 硬件驅動，當更換控制器時，需要修改上層應用程序，移植性差。在應用層和硬件驅動層加入虛擬驅動層，能夠屏蔽不同 CAN 控制器的差異。
一個 CAN 節點除了完成通信的功能，還包括一些特定的硬件功能電路，功能電路驅動向下直接控制功能電路，向上爲應用層提供控制功能電路函數接口。特定功能包括信號採集、人機顯示等。
CAN 收發器是實現 CAN 控制器邏輯電平與 CAN 總線上差分電平的互換。實現 CAN 收發器的方案有兩種，一是使用 CAN 收發 IC（需要加電源隔離和電氣隔離），另一種是使用 CAN 隔離收發模塊。推薦使用第二種。
CAN 控制器是 CAN 的核心元件，它實現了 CAN 協議中數據鏈路層的全部功能，能夠自動完成 CAN 協議的解析。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 負責實現對功能電路和 CAN 控制器的控制：在節點啓動時，初始化 CAN 控制器參數；通過 CAN 控制器讀取和發送 CAN 幀；在 CAN 控制器發生中斷時，處理 CAN 控制器的中斷異常；根據接收到的數據輸出控制信號；
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信息。
發送緩衝區和接收緩衝區能夠存儲 CAN 總線網絡上的完整信息。
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 幀纔會存儲到接收緩衝區。
CAN 內核實現了數據鏈路的全部協議。
CAN 協議應用層概述
CAN 總線只提供可靠的傳輸服務，所以節點接收報文時，要通過應用層協議來判斷是誰發來的數據、數據代表了什麼含義。常見的 CAN 應用層協議有：CANOpen、DeviceNet、J1939、iCAN 等。
CAN 應用層協議驅動是運行在主控制器（如 P89V51）上的程序，它按照應用層協議來對 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 用來表示節點地址，當接收到的幀 ID 與自身節點 ID 不通過時，就直接丟棄，否則交給上層處理；發送時，將幀 ID 設置爲接收節點的地址。
CAN 收發器
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，並且減少休眠下的電流。
收發器按照通信速度分爲高速 CAN 收發器和容錯 CAN 收發器。
同一網絡中要使用相同的 CAN 收發器。
CAN 連接線上會有很多幹擾信號，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 可被視爲外擴 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));
}將緩存區的數據連續寫入寄存器：
……
for (i=0; i<len; i++)
{
WriteSJAReg(RegAdr + i, ValueBuf[i]);
}
……將連續多個寄存器連續讀入緩存區：
……
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__ // 防止頭文件被重複包含
#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
// 定義取字節運算
#define LOW_BYTE(x) (unsigned char)(x)
#define HIGH_BYTE(x) (unsigned char)((unsigned int)(x) >> 8)
// 定義振盪器時鐘和處理器時鐘頻率（用戶可以根據實際情況作出調整）
#define OSCCLK 11059200UL
// 宏定義MCU的時鐘頻率
#define CPUCLK (OSCCLK / 12)
#endif // __CONFIG_H__SJA1000 上電後處於復位狀態，必須初始化後才能工作：
（1）置位模式寄存器 Bit0 位進入復位模式；
（2）設置時鐘分頻寄存器選擇時鐘頻率、CAN 模式；
（3）設置驗收濾波，設定驗證碼和屏蔽碼；
（4）設置總線定時器寄存器 0、1 設定 CAN 波特率；
（5）設置輸出模式；
（6）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 發送 CAN 幀時不檢查應答位；
只聽模式：此模式下 SJA1000 不會發送錯誤幀，用於自動檢測波特率；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。
波特率設置
CAN 總線無時鐘，使用異步串行傳輸；波特率是 1 秒發送的數據位；
CAN 幀發送：
發送 CAN 幀的步驟：
-
檢測狀態寄存器，等待發送緩衝區可用；
-
填充報文到發送緩衝區；
-
啓動發送。
SJA1000 具有一個 12 字節的緩衝區，要發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：
設置發送模式：
char SetSJASendCmd(unsigned char cmd)
{
unsigned char ret;
switch (cmd)
{
default:
case 0:
ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT); //正常發送
break;
case 1:
ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT|AT_BIT); //單次發送
break;
case 2:
ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT|SRR_BIT);//自收自發
break;
case 0xff:
ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, AT_BIT);//終止發送
break;
}
return ret;
}發送函數：
unsigned char SJA_CAN_Filter[8] =
{
// 定義驗收濾波器的參數，接收所有幀
0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
// ACR0~ACR3
0xff, 0xff, 0xff, 0xff
// AMR0~AMR3
};
unsigned char STD_SEND_BUFFER[11] =
{
// CAN 發送報文緩衝區
0x08, // 幀信息，標準數據幀，數據長度 = 8
0xEA, 0x60, // 幀ID = 0x753
0x55, 0x55, 0x55, 0x55, 0xaa, 0xaa, 0xaa, 0xaa // 幀數據
};
void main(void) // 主函數，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，設置波特率爲1Mbps
// 無限循環，main()函數不允許返回
for(;;)
{
SJASendData(STD_SEND_BUFFER, 0x0);
timerDelay(100); // 延時1000ms
}
}爲什麼幀 ID 是 0x753，這與 CAN 幀在緩衝區的存儲格式有關。
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 個字節的接收緩衝區（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 接收到報文後讀取報文。
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