嵌入式的工程师一般都知道CAN总线广泛应用到汽车中，其实船舰电子设备通信也广泛使用CAN，随着国家对海防的越来越重视，对CAN的需求也会越来越大。这个暑假，通过参加苏州社会实践，去某船舶电气公司实习几周，也借此机会，学习了一下CAN总线。

" g. J/ U, N0 X! G- Y

▍概述
CAN（Controller Area Network）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。
+ M9 v& H9 J) ~$ G) j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。
. B/ ?0 d4 Q) I6 Q( _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：
# x& l  G7 v3 D4 y* x6 M1 h
7 o3 v3 [, _' E& Q- [/ a4 z. I* J▍CAN总线标准
CAN总线标准只规定了物理层和数据链路层，需要用户自定义应用层。不同的CAN标准仅物理层不同。
% @9 h9 Q* V) Q" w; FCAN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。
高低电平幅度低，对应的传输速度快；

( }3 o- n- A3 k' H1 b& J*双绞线共模消除干扰，是因为电平同时变化，电压差不变。
5 n- ?, e+ P- z  t7 C4 M9 u. F0 a7 ?物理层

. O! c6 `+ _" a" n% I; T2 K7 W

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，只有所有节点输出高电平时，才为高电平。所谓"线与"。
CAN总线有5个连续相同位后，就插入一个相反位，产生跳变沿，用于同步。从而消除累积误差。
和485、232一样，CAN的传输速度与距离成反比。
( z* z" P) A2 D: Z" k, y
  O& G0 H6 R: R! Y  nCAN总线，终端电阻的接法：

& S/ K0 G6 P4 W$ |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
6 ?- s. `# D2 r0 \. q4 A0 [& w数据链路层
, O, l# J0 f8 v9 N' V9 a. N3 x+ i; l7 eCAN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）
, _7 ?5 R- X- o+ }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。
仲裁段
# W6 O" t4 e/ V8 F3 R. N) u$ zCAN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。
" L2 [4 a5 h) k  J9 Z$ j* A控制段
+ f: r8 ~0 u9 \8 V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。 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；
4 j) ?4 h: V4 [7 ?CRC段
CRC校验段由15位CRC值和CRC界定符组成。
' O9 W+ C5 M& [ACK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。
$ D1 o5 }4 V7 |$ i- X/ s. h$ r' ?远程帧
' ^( x& V9 G* ^2 O% n, ]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）
" X" J% ~6 R7 Z3 a
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
( P- i5 W$ }1 S" x' j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

& c  [9 x  g# {! V3 v" l9 A  c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。
, ]# \6 O2 Z- C  s& V' Q! U
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。
7 G9 O, i6 ~* I/ `3 O+ Q; o4 `
- s( T0 k# P  X8 m构建CAN节点
! L) g$ v' r2 ]6 V2 k. \: d$ |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。
  _" m  w  M  v2 V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。

+ I1 F, E3 O% ?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。
! H" G! m' ^- K" e" aCAN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）。
" Z+ J/ K8 ~. O) S7 WMCU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。
: V0 b8 n( S3 \) f+ T$ m4 ZCAN内核实现了数据链路的全部协议。
6 o8 ?' I9 d1 o! d/ o▍CAN协议应用层概述
* W" p- g! M$ C; W8 NCAN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。
& B( ]+ `0 r) j. I$ [8 |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。
, G" t4 k; o7 ?& J/ oCAN收发器
$ _3 S9 Q9 Q; K* y9 `; f+ KSJA1000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。

+ S  R6 K; m* [% F5 S收发器按照通信速度分为高速CAN收发器和容错CAN收发器。
, o8 X5 ]% o0 K/ V; z$ ~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
; x8 I1 B6 b( ]3 \, j6 P3 Q也可以使用CAN隔离收发器（集成滤波器和抗干扰电路）。
+ u/ _4 B* D& f2 s' ^
  r! i( ?% U7 ~+ E& O/ }2 }CAN控制器与MCU的连接方式
  E; C: t9 Z, i# T! V6 ?5 g
9 h* ]  B0 w7 k5 ~+ {3 N' VSJA1000可被视为外扩RAM，地址宽度8位，最多支持256个寄存器
8 q6 b1 F# Q! x; w7 w. X: g7 {

• 
  

#define REG_BASE_ADDR 0xA000 // 寄存器基址
unsigned char *SJA_CS_Point = (unsigned char *) REG_BASE_ADDR ;
: M8 \6 j  Z5 O: V; k // 写SJA1000寄存器
9 j- \# o8 m+ \* i& q, B. |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)); }
" e$ a( ~0 p1 w$ l7 O& ], H) J% { 将缓存区的数据连续写入寄存器

• 
  & X8 R4 q) |" N) I( s4 ]) Y

…… for (i=0;i<len;i++) { WriteSJAReg(RegAdr+i,ValueBuf);  }……
将连续多个寄存器连续读入缓存区

• 
  

…… for (i=0;i<len;i++) {  ReadSJAReg(RegAdr+i,ValueBuf);   }……
* [7 ^' T  g4 ~* u3 L/ _2 A" g 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
  

% L$ m3 I, d+ ~4 E1 O6 H

• 
  

#ifndef __CONFIG_H__ // 防止头文件被重复包含
8 i' U; C1 G0 M#define __CONFIG_H__
% }% x" r0 |$ h( L+ x0 t( j+ I4 b) J#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
#define LOW_BYTE(x)  (unsigned char)(x)
# h- W* p. i# g. ^9 r#define HIGH_BYTE(x)  (unsigned char)((unsigned int)(x) >> 8)
$ g3 I& W4 Z5 _- d5 T // 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）
#define OSCCLK 11059200UL
// 宏定义MCU的时钟频率
#define CPUCLK (OSCCLK / 12)
$ Q7 h& A: Y6 L8 D4 ]. G#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。
" ^6 @2 x( H6 U( f4 g/ v1 A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；
9 V6 W5 n0 v. ?# ]* m; z CAN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

• 
  

char SetSJASendCmd(unsigned char cmd) {
/ E" m: y' t7 I  g- E) b9 P3 H8 W    unsigned char ret;
+ a- v! W5 k9 X  P- K' Y* l    switch (cmd) {
6 {5 c$ F+ _  B2 @5 q    default:
    case 0:
: H3 ~! J' V! w: m+ X" E" u5 S+ b+ Z        ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT); //正常发送
3 f/ H& b2 h5 I8 P8 F* L    break;
    case 1:
. e: e) s) p. F3 ~& {        ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT|AT_BIT); //单次发送
    break;
! ]2 Y& h+ s0 j, E# v1 c    case 2:
        ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, TR_BIT|SRR_BIT);//自收自发
    break;
, H; \/ f" T: Q+ V- X7 q0 @    case 0xff:
        ret = SetBitMask(REG_CAN_CMR, AT_BIT);//终止发送
6 `- l1 L5 L, g4 F    break;
    }
3 {" _; I3 b  S" m2 {    return ret;
}
发送函数
, s9 h4 w) H) Z- |' [9 m

• 
  

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                                                         
/ A& }% K- T5 W, v/ Y// AMR0~AMR3
* E( V- W( E/ p  A1 b- [};
unsigned char STD_SEND_BUFFER[11] = {   // CAN 发送报文缓冲区      
: ^( n/ a& k- g) C4 X( ^0x08,   // 帧信息，标准数据帧，数据长度 = 8      
0xEA, 0x60, // 帧ID = 0x753
  R0 L6 e9 h5 w( I% V0x55, 0x55, 0x55, 0x55, 0xaa, 0xaa, 0xaa, 0xaa  // 帧数据
- W: F& c3 r8 N2 a};
& l# N* t) ]: X- G) X; y. wvoid main(void) // 主函数，程序入口{      
  h: l& J, H% Q$ k! ^    timerInit();// 初始化
    D1 = 0;      
    SJA1000_RST = 1; // 硬件复位SJA1000      
    timerDelay(50); // 延时500ms      
    SJA1000_RST = 0;      
) Q- ?4 d# f4 k6 p- V4 \    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      
    }   
8 v! |. P8 F/ V} 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。