CAN總線接□模塊工作原理

1．CAN模塊簡介 　　

控制器局域網(wǎng)（CAN）模塊是用于與其他外圍設(shè)備或單片機(jī)進(jìn)行通信的模塊，這種接口協(xié)議能在較大的噪聲 環(huán)境中進(jìn)行通信，具有良好的擾干擾性能。

CAN模塊是一個(gè)通信控制器，執(zhí)行的是Bosch公司的CAN2.0A/B協(xié)議。它能支持CAN1.2、CAN 2.0A、CAN 2.OB 協(xié)議的舊版本和CAN2．OB現(xiàn)行版本，此控制器模塊包含完整的CAN系統(tǒng)。

CAN模塊由協(xié)議驅(qū)動(dòng)和信息緩沖及控制組成，CAN協(xié)議驅(qū)動(dòng)CAN總線上接收和發(fā)送信息的所有功能。信息裝載 到某個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器后再發(fā)送，通過讀相應(yīng)的寄存器可檢查狀態(tài)與錯(cuò)誤信息。在CAN總線上檢測到的任 何信息都要進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，然后與過濾器進(jìn)行比較，判斷是否被接收和存儲(chǔ)到兩個(gè)接收寄存器之一。

2．CAN模塊支持的幀類型 　　

CAN模塊支持以下幀類型：標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀、擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)幀、過載幀和空閑幀。

（1）數(shù)據(jù)幀。

用于各節(jié)點(diǎn)之間傳送數(shù)據(jù)消息，由7個(gè)不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應(yīng)答 場和幀結(jié)束。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)幀組成 　　

（2）遠(yuǎn)程幀。

當(dāng)CAN網(wǎng)絡(luò)上一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要其他節(jié)點(diǎn)所擁有的數(shù)據(jù)信息時(shí)，可以通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀來請求另一節(jié)點(diǎn)發(fā)送。該 遠(yuǎn)程幀的標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)了所需數(shù)據(jù)的類型，因此，被送回的數(shù)據(jù)信息的標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程幀的標(biāo)識(shí)符完全一致。數(shù) 據(jù)源節(jié)點(diǎn)在接收到遠(yuǎn)程幀后，根據(jù)遠(yuǎn)程幀的標(biāo)識(shí)符判斷所需數(shù)據(jù)信｀患類型，并在總線空閑時(shí)將相應(yīng)數(shù)據(jù)送 出。遠(yuǎn)程幀由6個(gè)位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。除了沒有數(shù)據(jù)場和RTR為 隱性外，遠(yuǎn)程幀結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)幀完全相同，遠(yuǎn)程幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程幀結(jié)構(gòu) 　　

（3）錯(cuò)誤幀。

為進(jìn)行錯(cuò)誤界定，每個(gè)CAN控制器均設(shè)有兩個(gè)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器：發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器（TEC）和接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器 （REC）。CAN總線上的所有節(jié)點(diǎn)按其錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器數(shù)值情況可分為3個(gè)狀態(tài)：錯(cuò)誤活動(dòng)狀態(tài)、錯(cuò)誤認(rèn)可狀態(tài)和 總線關(guān)閉狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換 　　

上電復(fù)位后，兩個(gè)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的數(shù)值都為0，節(jié)點(diǎn)處于錯(cuò)誤活動(dòng)狀態(tài)，可正常參與總線通信，檢測到錯(cuò)誤時(shí) ，發(fā)送活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。當(dāng)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器任一數(shù)值超過127時(shí)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入錯(cuò)誤認(rèn)可狀態(tài)。處于錯(cuò)誤狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)可 參與總線通信，但出錯(cuò)后，發(fā)送認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志，并在開始進(jìn)一步發(fā)送數(shù)據(jù)之前等待一段附加時(shí)間（暫停發(fā)送 場）。

當(dāng)發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和接收計(jì)數(shù)器均小于或等于127時(shí)，節(jié)點(diǎn)從錯(cuò)誤認(rèn)可狀態(tài)再次變?yōu)殄e(cuò)誤活動(dòng)狀態(tài)。若發(fā)送 錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器數(shù)值超過255后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)，既不能向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，也不能從總線接收數(shù)據(jù)。當(dāng) 軟件執(zhí)行操作模式請求命令，并等待128次總線釋放（BusˉFree）序列（11位連續(xù)隱性位）后，節(jié)點(diǎn)從總線 脫離狀態(tài)重新回到錯(cuò)誤活動(dòng)狀態(tài)。

　　錯(cuò)誤幀由兩個(gè)不同的位場組成，第一個(gè)場由來自不同的節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤標(biāo)志疊加而成，第二個(gè)場為錯(cuò)誤界定符 ，錯(cuò)誤幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 錯(cuò)誤幀結(jié)構(gòu) 　　

（4）過載幀。

超載幀由超載標(biāo)志和超載界定符組成。超載標(biāo)志由6個(gè)顯性位組成，其格式與活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志相同。超載界 定符由8個(gè)隱性位組成，其格式與錯(cuò)誤界定符相同。導(dǎo)致發(fā)送超載幀的兩個(gè)條件為： 　　

①一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)內(nèi)部接收條件未準(zhǔn)備好，要求延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀發(fā)送； 　　

②在間歇場（3位）檢測到顯性位。

當(dāng)超載標(biāo)志發(fā)出后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)視總線狀態(tài)，直至檢測到從顯性至隱性位的跳變，此時(shí)，所有的節(jié)點(diǎn)均己 完成了超載標(biāo)志的發(fā)送，隨后所有節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送8個(gè)隱性位組成的超載界定符，超載幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 超載幀結(jié)構(gòu) 　　

（5）空閑幀。

數(shù)據(jù)幀及遠(yuǎn)程幀與前幀消息之間的間隔被稱為幀間空間的場隔開，如圖6所示，幀間

圖6 不包含暫停發(fā)送場的幀間空間 　　

空間由間歇場和總線空閑場組成，前面已經(jīng)發(fā)送過報(bào)文的錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)還包括暫停發(fā)送場。間歇場由3個(gè)隱性位 組成，在此期間，CAN節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行幀發(fā)送。間歇場的存在使CAN控制器在下次消息發(fā)送前有時(shí)間進(jìn)行內(nèi)部處理 操作。

總線空閑場可以為任意長度，此時(shí)總線處于空閑狀態(tài)，允許任何節(jié)點(diǎn)開始報(bào)文發(fā)送。等待報(bào)文發(fā)送的節(jié)點(diǎn) 緊隨間歇場后啟動(dòng)報(bào)文發(fā)送，即在空閑場第一位期間就啟動(dòng)報(bào)文發(fā)送。

如圖7所示，錯(cuò)誤認(rèn)可節(jié)點(diǎn)完成一個(gè)報(bào)文發(fā)送后，在開始另一次報(bào)文發(fā)送或進(jìn)入總線空閑狀態(tài)之前，緊隨間 歇場發(fā)送8個(gè)隱性位的暫停發(fā)送場。發(fā)送暫停發(fā)送場期間，若其他節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送報(bào)文，則本節(jié)點(diǎn)停止送出暫 停發(fā)送場，并變?yōu)閳?bào)文接收器。 　　圖7 包含暫停發(fā)送場的幀間空間 　?。?）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀。

　　標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)幀格式 　　

（7）擴(kuò)展幀。

擴(kuò)展幀的結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 擴(kuò)展幀格式 　　

3．傳輸過程中的可靠性和同步問題 　　

（1）可靠性。

CAN網(wǎng)絡(luò)通信要求信息可靠傳送，但由于外界干擾不可避免地會(huì)對通信線路造成影響，誤碼總是客觀存在 的，所以網(wǎng)絡(luò)通信中必須采取某些差錯(cuò)控制措施。

當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并及時(shí)加以糾正。為提高抗干擾能力和數(shù)據(jù)的可靠性，CAN采用了多種錯(cuò)誤 檢測手段：發(fā)送監(jiān)視、位填充錯(cuò)誤檢測、CRC校驗(yàn)、格式錯(cuò)誤檢測以及應(yīng)答錯(cuò)誤檢測。

為保證CAN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的正常通信，必須對報(bào)文的位定時(shí)作出規(guī)定。接收同步、網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲補(bǔ)償及采 樣點(diǎn)定位均由CAN協(xié)議集成電路的可編程位定時(shí)邏輯確定。CAN中正常位速率被定義為：在不需要重同步的情 況下，每秒傳送的位數(shù)。正常位定時(shí)被定義為一位的持續(xù)時(shí)間，實(shí)際上就是正常位速率的倒數(shù)。

（2）同步問題。

位時(shí)間可劃分為4個(gè)互不重疊的時(shí)間段：同步段（SYNC￣SEG：SynchronizationSegment）、傳播段（PROPˉSEG：Propagation Segment）、相位緩沖段1（PHASEˉSEG：Phase Bufer Segment1）及相位緩沖段2（PHASE－SEG2：Phase Bufer Segment2）。

同步段用于總線上各節(jié)點(diǎn)消息傳輸同步，長度為一個(gè)時(shí)間份額，此段內(nèi)需要一個(gè)跳變沿。傳播段用于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的物理延遲時(shí)間，它是信號(hào)在總線上傳播時(shí)間、輸入比較器延遲和輸出驅(qū)動(dòng)器延遲之和的兩倍，長度可被編程為1～8個(gè)時(shí)間份額。實(shí)際上，在CAN協(xié)議集成器件中并沒有定義此段。

相位緩沖段用于補(bǔ)償上升沿或下降沿的相位誤差，通過重同步，這兩個(gè)時(shí)間段可被用戶延長或縮短。相位緩沖段1長度可編程為1～8個(gè)時(shí)間份額，相位緩沖段2長度取值為相位緩沖段1最大值和消息處理時(shí)間之和，消息處理時(shí)間個(gè)于等于兩個(gè)時(shí)間份額（這一點(diǎn)在CAN協(xié)議集成器件中并未嚴(yán)格遵守，實(shí)際應(yīng)用中相位緩沖段1比相位緩沖段2長）。

由采樣點(diǎn)開始，保留用于計(jì)算后續(xù)位電平的時(shí)間段被定義為消息處理時(shí)間，其長度小于或等于2個(gè)時(shí)間份額?？偩€電平在采樣點(diǎn)被讀取，所以此點(diǎn)代表該位的數(shù)值大小。采樣點(diǎn)位于相位緩沖段1的末尾處。

時(shí)間份額是由振蕩器時(shí)鐘分頻得出的一個(gè)固定時(shí)間單元，在CAN協(xié)議集成器件中被稱為系統(tǒng)時(shí)鐘周期，可由一個(gè)預(yù)分頻器設(shè)定大小，時(shí)間份額由下式計(jì)算： 　　

時(shí)間份額=m×最小時(shí)間份額 　　

其中m為預(yù)分頻器系數(shù)，最小時(shí)間份額在CAN集成器件中被稱為振蕩器時(shí)鐘周期。一個(gè)位時(shí)間中時(shí)間份額總數(shù)必須被編程在8～25之間。

網(wǎng)絡(luò)常采用的同步方式有兩種：準(zhǔn)同步和標(biāo)準(zhǔn)同步。準(zhǔn)同步又稱獨(dú)立同步，各節(jié)點(diǎn)均擁有時(shí)間獨(dú)立的高穩(wěn)定度振蕩時(shí)鐘，它們的頻率并不一定完全相等，但必須時(shí)間相近。準(zhǔn)同步的優(yōu)點(diǎn)是同步體系簡單，容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是工作可靠性較差。

標(biāo)準(zhǔn)同步又分為主從同步法和相互同步法兩種，主從同步方法中，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘以在網(wǎng)絡(luò)中處于重要位置的節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘為基準(zhǔn)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對簡單，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)過分依賴于主時(shí)鐘，有全網(wǎng)癱瘓的危險(xiǎn)。

和其他計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比，CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對簡單，所以采用準(zhǔn)同步方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有自己獨(dú)立的振蕩時(shí)鐘。CAN網(wǎng)絡(luò)中，同步方式又分硬同步和重同步兩種形式，同步過程由器件自身完成。

CAN模塊使用RB3/CANRX和RB2/CANTX/INT2引腳與CAN總線驅(qū)動(dòng)器接口。要配置CANRX和CANTX為CAN接口，需要將TRISB〈3＞位置1，TRISB（2）位清0。