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1、CAN 基础知识 什么是 CAN ? CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置 ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入 CAN 控制装置。 一个由 CAN 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用 Philips P82C250 作为 CAN 收发器时，同一网络中允许挂接 1
2、10 个节点。 CAN 可提供高达 1Mbit/s 的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了 CAN 的抗电磁干扰能力。 CAN 是怎样发展起来的？ CAN 最初出现在 80 年代末的汽车工业中，由德国 Bosch 公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出 CAN 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所
3、有的外围器件可以被挂接在该总线上。1993 年，CAN 已成为国际标准 ISO11898(高速应用)和 ISO11519（低速应用）。 CAN 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到 10Km 时，CAN 仍可提供高达 50Kbit/s 的数据传输速率。 由于 CAN 总线具有很高的实时性能，因此，CAN 已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。 CAN 是怎样工作的？ CAN 通讯协议主要描述设备之间的信息传递
4、方式。CAN 层的定义与开放系统互连模型（OSI）一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。CAN 的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层。下表中展示了 OSI 开放式互连模型的各层。应用层协议可以由 CAN 用户定义成适合特别工业领域的任何方案。已在工业控制和制造业领域得到广泛应用的标准是 DeviceNet，这是为 PLC 和智能传感器设计的。在汽车工业，许多制造商都应用他们自己的标准。 表 1 OSI 开放系统互连模型 7 应用层 最高层。用户、软件、网络终端等之间用来进行信息交换。如
5、DeviceNet 6 表示层 将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式 5 会话层 依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递。 4 传输层 两通讯节点之间数据传输控制。操作如：数据重发，数据错误修复 3 网络层 规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。如：路由和寻址 2 数据链路层 规定了在介质上传输的数据位的排列和组织。如：数据校验和帧结构 1 物理层 规定通讯介质的物理特性。如：电气特性和信号交换的解释 CAN 能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等。最常用的就是双绞线。信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“CAN_H
6、和“CAN_L”，静态时均是 2.5V 左右，此时状态表示为逻辑“1”，也可以叫做“隐性”。用 CAN_H 比CAN_L 高表示逻辑“0”，称为“显形”，此时，通常电压值为：CAN_H = 3.5V 和 CAN_L = 1.5V 。 CAN 有哪些特性？ CAN 具有十分优越的特点，使人们乐于选择。这些特性包括： 低成本 极高的总线利用率 很远的数据传输距离(长达 10Km) 高速的数据传输速率（高达 1Mbit/s） 可根据报文的 ID 决定接收或屏蔽该报文 可靠的错误处理和检错机制 发送的信息遭到破坏后，可自动重发
7、 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息 Philips 制造的 CAN 芯片有哪些？ 表 2 CAN 芯片一览表 类别 型号 备注 P87C591 替代 P87C592 CAN 微控制器 XA C37 16 位 MCU CAN 独立控制器 SJA1000 替代 82C200 PCA82C250 高速 CAN 收发器 PCA82C251 高速 CAN 收发器 PCA82C252 容错 CAN 收发器 TJA1040 高速 CAN 收发
8、器 CAN 收发器 TJA1041 高速 CAN 收发器 TJA1050 高速 CAN 收发器 TJA1053 容错 CAN 收发器 TJA1054 容错 CAN 收发器 LIN 收发器 TJA1020 LIN 收发器 什么是 CSMA/CD ? CSMA/CD 是“载波侦听多路访问/冲突检测”（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect）的缩写。 利用 CSMA 访问总线，可对总线上信号进行检测，只有当总线处于空闲状态时，才允许发送。利用这种方法，
9、可以允许多个节点挂接到同一网络上。当检测到一个冲突位时，所有节点重新回到‘监聴’总线状态，直到该冲突时间过后，才开始发送。在总线超载的情况下，这种技术可能会造成发送信号经过许多延迟。为了避免发送时延，可利用 CSMA/CD 方式访问总线。当总线上有两个节点同时进行发送时，必须通过“无损的逐位仲裁”方法来使有最高优先权的的报文优先发送。在 CAN 总线上发送的每一条报文都具有唯一的一个 11 位或 29 位数字的 ID。CAN 总线状态取决于二进制数‘0’而不是‘1’，所以 ID 号越小，则该报文拥有越高的优先权。因此一个为全‘0’标志符的报文具有总线上的最高级优先权。可用另外的方法来解释：在消
10、息冲突的位置，第一个节点发送 0 而另外的节点发送 1，那么发送 0 的节点将取得总线的控制权，并且能够成功的发送出它的信息。 CAN 的高层协议 CAN 的高层协议（也可理解为应用层协议）是一种在现有的底层协议（物理层和数据链路层）之上实现的协议。高层协议是在 CAN 规范的基础上发展起来的应用层。许多系统（像汽车工业）中，可以特别制定一个合适的应用层，但对于许多的行业来说，这种方法是不经济的。一些组织已经研究并开放了应用层标准，以使系统的综合应用变得十分容易。 一些可使用的 CAN 高层协议有： 制定组织 主要高层协议 CiA CAL协议 Ci
11、A CANOpen 协议 ODVA DeviceNet 协议 Honeywell SDS 协议 Kvaser CANKingdom协议 什么是标准格式 CAN 和扩展格式 CAN? 标准 CAN 的标志符长度是 11 位，而扩展格式 CAN 的标志符长度可达 29 位。CAN 协议的 2.0A 版本规定 CAN 控制器必须有一个 11 位的标志符。同时，在 2.0B 版本中规定，CAN 控制器的标志符长度可以是 11 位或 29 位。遵循 CAN2.0B 协议的 CAN 控制器可以发送和接收 11 位标识符的标准格式报文或 29 位标识符的扩展格
12、式报文。如果禁止 CAN2.0B,则 CAN 控制器只能发送和接收 11 位标识符的标准格式报文，而忽略扩展格式的报文结构，但不会出现错误。 目前，Philips 公司主要推广的 CAN 独立控制器均支持CAN2.0B 协议，即支持29 位标识符的扩展格式报文结构。 CAN总线的局限 时间:2007-07-17 来源:电子设计应用 作者:杨福宇 点击：1682 字体大小:【大 中 小】 CAN总线由博世公司于1987年开发，1993年成为标准，在近23年的时间里获得了巨大的成功，逐渐替代了其它相近的总线，2001年的节点采用量已超过1亿。
13、但是，曾经力推CAN总线的厂商，如宝马、博世、飞利浦等，目前都开始支持新的总线。对于推动新总线研究的原因，X-By-Wire的发展是一方面，但从根本上讲，消费者的安全需求才是最重要的原因。根据新闻报道：在CAN的发源地德国，2005年汽车抛锚事故中有35％是电子装置引起的。因此，电子控制系统及其通信系统的可靠性是一个敏感的问题，即使没有采用X-By-Wire，仍然使用常规的液压气动机构，也需要一种更为可靠的新总线来代替CAN。 车内通信有两个最基本的要求：一是数据内容正确；二是通信及时，序列一致。对这两点，CAN总线中均有所设计，但仍存在着不一致性、不可预测性、信道出错堵塞等漏洞。
14、 1)不一致性 CAN总线中有一个著名的Last-But-One-Bit错误。CAN总线2.0A在信息认证(Message Validation)中规定：发送器验错的范围可覆盖到帧结束，如果发现错误，以后就按优先权和状态的规定重发；接收器验错的范围覆盖到帧结束的前一位。因此，如果由于空间干扰、电源波动等原因，对于帧的倒数第二位，一部分节点A认为无错，一部分节点B 认为有错， 即出现了所谓的Byzantine错误。这时，根据EOF应该是7个 隐性位，节点B认为这是一种形式错误，所以就会启动错误帧，通知发送器重发，同时丢弃收到的帧。而认为没错的节点A由于只查到倒数第二位，因此就会接收此
15、帧。如果在发送器例行的下一次发送前B通知的重发成功，A就会收到重复帧；如果重发不成功，B就丢了一帧。在转向和制动系统中，4个轮子对命令的不同理解，可能造成性能的下降或其他更严重的后果。 2)不可预测性 CAN总线将节点状态分为Error Active、Error Passive和Bus Of三种，这三种状态在一定条件下可以互相转换。不同状态中节点的发送有不同的延迟。最高优先权的信息发送延迟有几种可能： 当节点状态为Error Active时，若总线空闲，则立即发送；当节点状态为Error Active时，如果其它帧正在发送，则需等正在发送的报文结束后，再过3位后发送；当节点状态为E
16、rror Passive时，它有一个出错重发的要求，若没有其它帧要发送， 等3位传送(Intermission)和8位挂起传送(Suspend Transmission)后重发；当节点状态为ErorPassive时，若总线空闲，出错后等别的信息发送完后再发，等待时间与其它帧的长度有关；当节点状态为Bus Of时，需等状态恢复到Eror Passive或Eror Active再发。 当确认某节点的状态时，还有几个因素需要考虑：首先，节点由最高优先权的信息和其他信息共用，因此，其他信息在传送过程中出现的错误也会影响到节点状态；其次，进入Error Passive或Bus off状态的条件
17、是发送错误计数器与/或接收错误计数器的值，由于CAN的原子广播特点，其它节点的发送错误或接收错误会开启一个错误帧，从而影响到该节点的接收错误计数器的值，进而影响节点状态。 对于优先权较低的信息来说，发送时间的离散程度更大。在反馈控制系统中，采样调节周期的大范围抖动相当于信号延迟后的变化，它有可能使系统性能下降或不稳定。在与安全相关的开环系统中，抖动可能造成动作顺序的混乱。 3)信道出错堵塞 节点有可能受干扰或其它原因暂时或永久失效， 出错的主机会命令CAN收发器不断发送消息，即所谓的Babbling Idiot错误。由于该信息的格式等均合法， 因此CAN没有相应的机
18、制来处理这种情况。根据CAN 的优先权机制，比它优先权低的信息就被暂时或永久堵塞。 由于CAN总线存在上述几种根本的缺陷，因此，在更为严格的控制系统中，它将会造成巨大的风险，无法满足安全、环保、节能的要求。 CAN的事件触发协议特点限制了ECU 的应用、开发与生产，不仅用过的ECU难于重用，而且还不利于改善和开发新的ECU。 一个成功的CAN应用仅在一定的条件下是有效的，簇内所有信息的优先权配置、波特率、通信负荷(所有信息的出现频率和长度)都较为固定，任何一个参数的改变都会使通信的时域分布改变。因此，当需要改变车型时，如果添加了新的功能，或是修改了闭环控制方
19、案，ECU的所有基本功能就必须重新验证，这使工作量大大增加，延迟了新车型的上市时间。同样，对于提供零部件的厂商， 同一ECU在不同汽车厂商的汽车上应用时，可能不得不对某些参数进行修改，这需要进行重新的验证和认证，增加了管理的复杂性，也增加了成本。 在事件触发通信系统中，所有的应用都因优先权规则而深深地耦合在一起。这一特点使得由不同的工作组对个别应用同时进行设计、测试和认证的工作无法实现，这一点对期望成为质量与技术进步的汽车厂商来说是难以容忍的。 另外，对CAN的各种改进都难以实现向下的兼容性。自CAN总线问世以来，随着对CAN局限陛的认识不断加深，业界提出了各种改进方案，这
20、些方案采用标准的芯片，在底层协议上添加新的规定，使其具有分时通信的功能。如TTCAN、FTT_CAN(Flexibly Time-Triggered CAN)、ServerCAN、TCAN(Timely CAN) FlexCAN/SafeCAN 等。其TTCAN正在成为业界标准ISO11898-4。但是，这些改进都要对原有的CAN协议进行修改，例如出错时不立即重发，要将事件触发的应用程序改为时间触发的应用程序等。这些改动都是新协议必备而老协议不具备的，因此，原有的带CAN通信协议的ECU如果想要在新系统中应用，也就必须进行修改。 CAN总线的另一个局限因素是传送波特率，十多年前确定的
21、1M波特率由于应用的飞速增加而变成瓶颈。从低速CAN总线、高速CAN总线，以致将来不得不配置第二条高速CAN总线，虽然这或许可以缓解速率问题，但从全局看，总线数量的增加使布线、网关、系统复杂性都随之增加。从技术角度上看，重新设计CAN收发器，提高传送波特率是有一定可能的，但从技术经济角度上看，无法与现有产品相兼容就使这种局部改进失去了意义。 CAN总线控制器与DSP的接口 时间:2006-08-01 来源: 作者: 点击：786 字体大小:【大 中 小】 现场总线是一种开放式、 数字化、多点通信的控制系统局域网络，是当今自动化领域中最具有应用前景的技术之一。
22、CAN总线是现场总线中的应用热点，CAN总线支持分布式控制和适时控制的串行通信网络。由于 CAN总线具有通信速率高、开放性好、报文短、纠错能力强以及控制简单、扩展能力强、系统成本低等特点，越来越受到人们的关注。基于CAN总线的CAN控制器具有完成CAN总线通信协议所要求的全部必要功能，因此CAN总线控制器与其它微处理器的接口成为设计CAN总线系统的首要工作。当前已有一些微处理器将CAN控制器嵌入到系统之中，成为在片的微处理器，例如P8XC592 (其内核即为80C51的CPU)，MCS96系列中的 87C196CA、87C196CB等，TMS320系列中的在片CAN微控制器TMS320F240
23、7、TMS320F2810/F2812，但是仍有大量人们比较熟悉的微处理器并不带有CAN控制器。本文讨论这些微处理器与CAN控制器的接口问题，重点介绍CAN控制器与TMS320系列DSP的接口方法和接口电路。 1.CAN控制器的接口信号和时序 CAN控制器(以PCX82C200或SJA1000为例)提供的微处理器的接口信号主要有AD0～AD7共8根地址数据线和ALE、CS、 RD、WR、RST、MODE、 RESET和INT，控制器的数据和地址是分时复用线，其中MODE为接口方式选择信号，可选用INTEL方式或MOTOROLA方式。不同方式下引脚定义如表1，接口时序图略(详见《
24、电子技术应用》2002.11)。 引脚符号 INTEL (MODE=Vdd) MOTOROLA (MODE=Vss) ALE ALE AS RD RD E WR WR RD/WR 表1 SJA1000引脚定义 从引脚定义和时序
25、关系可知CAN控制器提供了与INTEL和MOTOROLA方式的直接接口信号，其中INTEL方式对于目前流行的51/96系列单片机 来说提供了方便快捷的直接接口设计。 2.DSP的接口信号和时序 DSP芯片以TI公司生产的TMS320系列产品为国内的主流产品，TMS320 系列产品至今已经历了若干代，有'C1X、'C2X、'C2XX、'C5X、 'C54X、'C62X等定点DSP，有'C3X、'C4X、'C67X等浮点DSP和'C8X多处理器DSP。DSP采用了先进的哈佛结构，内部采用多总线结构和流水线的工作方式，从而大大地提高了系统的运行速度和数字信号的处理能力，D
26、SP的指令执行时间在ns数量级，内部程序和数据存储器目前已达几十K字，并带有内部的硬件乘法器，这些都为DSP提供了广阔的应用空间。 DSP芯片的片外引脚一般采用地址线和数据线分离的设计方法，不再使用地址数据分时复用线，也没有ALE地址有效信号，这样就给CAN 控制器与DSP的接口带来一定困难，且不同的DSP芯片外部引脚和时序也略有区别。要设计CAN 控制器与DSP的接口，首先必须讨论一下DSP的时序，下面以DSP中较流行的TMS320LF2407和TMS320VC5402为例进行讨论。 2.1 TMS320LF2407 DSP的I/O时序 DSP的存储器分为
27、三个空间：程序存储器空间、数据存储器空间和I/O空间。I/O空间有专用的的输入指令PORTR和输出指令PORTW以及专 用的I/O空间选择信号IS，TMS320LF2407的I/O信号与存储器操作信号复用，它们是存储器和I/O信号与存储器操作信号复用，它们是存储器和I/O设备选通信号STBR、写选通信号WR、读选通信号RD和读写信号R/W，TMS320LF2407的I/O时序图略(详见《电子技术应用》2002.11)。 2.2 TMS320VC5402 DSP的I/O时序 TMS320VC5402与TMS320LF2407一样，用IS作为I/O空间选择信号，不同的地方是
28、I/O空间有专用的I/O设备选通信号IOSTRB和通用的读写信号R/W，而不设读选通信号RD和写选通信号WR，其时序图略(详见《电子技术应用》2002.11)。 2.3 DSP的I/O时序分析 I/O的输入或输出工作周期内完成，在此期间，IS信号和地址总线一直保持有效。对于TMS320LF2407，I/O选通信号STRB发生在第一个机器周期有效之后并持续一个周期以上，RD和WE有效时数据有效。对于TMS320VC5402，I/O设备选通信号IOSTRB的低电平有效发生在延迟了半个机器周期的上升沿到下一个机器周期的上升沿，持续一个机器周期，数据有效发生在第二个机器周期内。
29、R/W读写信号在输入周期内一 直保持为“1”，在输出周期一直保持为“0”，仅起到控制数据流的方向作用。以上分析都没有考虑插入等待周期的情况，若插入一个等待周期，则每次I/O 操作均延长一个机器周期，既需要三个机器周期完成I/O操作(等待周期时序从略)。 3 CAN控制器与DSP的接口设计方法 从以上分析可以看到，TMS320系列DSP没有提供与SJA1000 CAN控制器的直接接口信号，以SJA1000的INTEL方式为例，为了使TMS320系列DSP满足SJA1000的接口信号要求，可以从以下几点进行设计。 3.1 地址数据复用线的设计 将DS
30、P的数据线D0～D7作为CAN的地址/数据复用线，用DSP的数据线去选择CAN的内部端口和传送数据。 3.2 地址有效信号ALE的产生 对于TMS320LF2407，用地址线A0、写选通信号WR和端口选通信号STRB的逻辑组合产生DSP的ALE信号，对于TMS320VC5402，则用地址线 A0、I/O端口选通信号IOSTRB的逻辑组合产生ALE信号。 3.3 读写信号的产生 对于TMS320LF2407，用读信号和A0的逻辑组合产生SJA1000的读选通信号，用写信号和A0的逻辑组合产生SJA1000 的写选通信号。对于TMS320VC54
31、02，则用A0、IOSTRB和R/W的逻辑组合产生SJA1000的读和写选通信号。逻辑关系如表2所示。 TMS320LF2407 A0 STRB R/W WE 1 0 0 X 0 0 0 0 0 0 1 1 TMS320VC5402 A0 IOSTRB R/W 1 0 0 0 0 0
32、 0 0 1 SJA1000 ALE WE RD 1 1 1 0 0 1 0 1 0 表2 TMS320LF2407和TMS320VC5402与SJA1000接口逻辑 3.4 片选信号的产生 用DSP的I/O空间选通信号IS和高位地址的译码信号的逻辑组合产生CAN的片选CS。
33、 从以上的设计思想可以看到，这种方法是将DSP的数据线改为适应CAN控制器的数据地址线。为此将DSP的A0作为地址数据选择线。A0=1 时，地址有效；A0=0时，数据有效。即用奇数地址选择端口，用偶数地址传送数据。同时，通过信号的逻辑组合，在地址有效期间不产生读写信号，而是产生满足CAN的地址有效信号ALE；在数据有效期间产生满足CAN的读和写逻辑信号时序。 4 CAN与DSP的接口电路 以TMS320VC5402与SJA1000芯片为例设计的接口电路图略(详见《电子技术应用》2002.11)。图中，用一片GAL16V8B作为接口逻辑转换电路。为突出接口电路，其它部分从略。用FM书写的设计文件如下： GAL16V8B INTERFACE CH SH APR 19. 2002 DECODER NC NC IS IOSTRB A0 RW A14 A15 NC GND NC NC CS WR RD ALE NC NC NC VCC CS=A15*A14 *IS ALE=A0*IOSTRB*R/W RD=A0*IOSTRB*R/W WR=A0*IOSTRB*R/W DESCRIPTION
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