软件定义汽车 (SDV) 的特点是 AI、自主、连接和电气化。 最近，汽车行业已开始 采用“基于服务”的方法来设计 SDV 的现代应用。 这种称为面向服务的架构 (SOA) 的方法为开发软件应用提供了一种新范式，其特点是高重用性、易于更新以及与硬件的松散耦合。 SOA 的构建原则是一个应用由一组服务组成，这些服务可以被动态地发现、发布、订阅和在运行时重新配置。 SOA 的概念已被广泛纳入行业标准，包括 AUTomotive Open System ARchitecture (AUTOSAR)。 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。 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。 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，使得它能够被广泛地应用。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。 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。 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。 * 双绞线共模消除干扰，是因为电平同时变化，电压差不变。 物理层 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。 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。 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） 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； 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。 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。 为0-8字节，短帧结构，实时性好，适合汽车和工控领域； 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。 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）
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；
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。 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。 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。 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。 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。 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）。 SJA1000可被视为外扩RAM，地址宽度8位，最多支持256个寄存器 #define REG_BASE_ADDR 0xA000 // 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) return ;// 读SJA1000寄存器 unsigned char ReadSJAReg (unsigned char RegAddr) return (*(SJA_CS_Point + RegAddr));…… for (i=0 ; i<len; i++) ……for (i=0 ; i<len; i++)
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
#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 #define LOW_BYTE(x) (unsigned char)(x) #define HIGH_BYTE(x) (unsigned char)((unsigned int)(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） #define OSCCLK 11059200UL // 宏定义MCU的时钟频率 #define CPUCLK (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： （2）设置时钟分频寄存器选择时钟频率、CAN模式； （4）设置总线定时器寄存器0、1设定CAN波特率； 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。 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； 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： char SetSJASendCmd (unsigned char cmd) unsigned char ret; switch (cmd) default : case 0 : //正常发送 break ; case 1 : //单次发送 break ;case 2 : //自收自发 break ; case 0xff : //终止发送 break ; return ret;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 // 初始化 0 ; 1 ; // 硬件复位SJA1000 50 ); // 延时500ms 0 ; 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 (;;) 0x0 ); 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。 来源：网络
谈思实验室AutoSec智能汽车安全攻防实训课程，12月18-19日，上海
原文始发于微信公众号（谈思实验室）：嵌入式开发必懂的 CAN 总线知识
