CAN总线嵌入式开发目录

第1章 CAN总线基础知识

1.1 CAN总线简介

1.2 CAN总线基本工作原理

1.3 CAN的标准格式和扩展格式

1.4 CAN的节点硬件构成

1.5 CAN控制器

1.6 CAN收发器

1.7 CAN总线接口电路保护器件

1.7.1 共模扼流圈

1.7.2 ESD防护

1.7.3 CAN总线网络保护

1.8 CAN总线通信过程

1.9 CAN总线控制器芯片滤波器的作用

1.10CAN总线的报文格式

1.10.1 数据帧

1.10.2 远程帧

1.10.3 错误帧

1.10.4 过载帧

1.10.5 帧间空间

1.11振荡器容差

1.12位定时要求

1.13同步

1.14位流编码及位填充

1.15CAN总线错误处理

1.15.1 错误类型

1.15.2 错误标志

1.16故障界定

1.16.1 故障界定的方法

1.16.2 错误计数规则（共12条规则）

1.16.3 错误标记及错误中断类型

1.17CAN总线拓扑结构

1.17.1 总线结构拓扑

1.17.2 CAN总线通信距离

1.18CAN总线传输介质

1.18.1 双绞线

1.18.2 光纤

第2章 CAN控制器SJA1000与8051系列单片机接口设计

2.1 CAN控制器SJA1000

2.1.1 SJA1000引脚排列及其功能

2.1.2 Basic CAN模式下内部寄存器地址表

2.1.3 Peli CAN模式下内部寄存器地址表

2.1.4 Basic CAN和Peli CAN模式的区别，

2.1.5 8051系列单片机控制SJA1000的方式

2.1.6 SJA1000的滤波器设置

2.1.7 CAN总线通信波特率的计算

2.1.8 SJAl000初始化流程

2.2 CAN总线驱动器

2.2.1 TJA1040总体概述

2.2.2 TJA1040功能

2.3 CAN总线DC/DC光电隔离技术

2.3.1 DC／DC电源隔离模块

2.3.2 高速光耦6N137

2.4 51系列单片机CAN总线学习板实物图

2.5 51系列单片机CAN总线学习板硬件电路设计

2.5.1 电路原理图

2.5.2 SJA1000晶振的电路设计

2.6 双节点CAN总线通信

2.6.1 双节点CAN总线系统的程序流程框图设计

2.6.2 SJA1000的硬件接口地址定义

……

第3章 CAN控制器MCP2515与8051系列单片机接口设计

第4章 CAN总线在A/D采集控制板传输中的应用

第5章 基于LPC11Cxx系列微控制器的CAN应用设计

第6章 CAN总线在酒店客房智能化系统中的应用

参考文献

《CAN总线嵌入式开发:从入门到实践》旨在为广大嵌入式CAN总线通信技术的研发者提供实战化的软、硬件技术参考，书中的电路图和源程序可以直接拿来参考运用，大大提高研发工程师的工作效率，减少不必要的重复劳动，缩短研发时间。

2.正常模式

在这个模式中，驱动器可以通过总线CANH和CANL发送和接收数据。请看TJA1040内部功能结构图，差动接收器将总线上的模拟数据转换成数字数据，通过多路转换器（MUX）输出到RXD引脚，总线线路上输出信号的斜率是固定的，并进行了优化，保证有很低的电磁辐射（EME）。

3.待机模式

在这种模式中，发送器和接收器都关断，只用低功耗的差动接收器监控总线。V上的电源电流减少到最小，但仍保证抗电磁干扰的性能，并能识别出总线上的唤醒事件。

在这种模式中，总线都连接到地，将电源电流I减到最小。在RXD的高端驱动器（high-sidedriver）上串联一个二极管，防止不上电状态下有反向电流从RXD流向V在正常模式中，这个二极管被旁路，但它在待机模式中可以减少电流的消耗，所以没有被旁路。

4.分解网络

分解网络（SplitCircuit）是一个0.5 V的直流稳压源。它只在正常模式中接通，待机模式时，引脚SPLIT悬空。分解网络可以通过将引脚SPLIT连接到分裂终端的中心抽头，来稳定隐性共模电压，如图2-11所示。如果由于在网路中存在不上电的收发器，它们在总线和地之间有显著的漏电流，使隐性总线电压小于0.5 V分解网络会将这个隐性电压稳定为0.5 V因此，启动发送时不会在共模信号上产生阶跃，从而保证电磁辐射（EME）性能。

5.唤醒

在待机模式中，总线由低功耗的差动比较器监控，一旦低功耗的差动比较器检测到一个持续时间大于tHUS的显性总线电平，引脚RXD变为低电平。

CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率最高可达1Mbps。

完成对通信数据的成帧处理

CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。

使网络内的节点个数在理论上不受限制

CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识符可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2或2个以上不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。

可在各节点之间实现自由通信

CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯。CAN总线插卡可以任意插在PC AT XT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。

结构简单

只有2根线与外部相连，并且内部集成了错误探测和管理模块。

传输距离和速率

CAN总线特点:(1) 数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他(一个或多个)节点发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序，高优先级节点信息在134μs通信; (2) 多个节点同时发起通信时，优先级低的避让优先级高的，不会对通信线路造成拥塞; (3) 通信距离最远可达10KM(速率低于5Kbps)速率可达到1Mbps(通信距离小于40M);(4) CAN总线传输介质可以是双绞线，同轴电缆。CAN总线适用于大数据量短距离通信或者长距离小数据量，实时性要求比较高，多主多从或者各个节点平等的现场中使用。

CAN总线多用于工控和汽车领域，在CAN总线的开发测试阶段，需要对其拓扑结构，节点功能，网路整合等进行开发测试，需要虚拟、半虚拟、全实物仿真测试平台，并且必须测试各节点是否符合ISO11898中规定的错误响应机制等，所以CAN总线的开发需要专业的开发测试工具，并且在生产阶段也需要一批简单易用的生产线测试工具。CAN总线开发测试工具的主要供应商有ZLG、Passion IXXAT、IHR、Vector、Intrepidcs、Passion Warwick、LAIKE等。常用的开发测试工具如CANScope、CANalyst-II、Passiontech DiagRA、canAnalyser、X-Analyser、AutoCAN、CANspider，LAIKE CANTest等。

在CAN总线中存在5种错误类型，它们互相并不排斥，下面简单介绍一下它们的区别、产生的原因及处理方法。

位错误:向总线送出一位的某个节点同时也在监视总线，当监视到总线位的电平和送出的电平不同时，则在该位时刻检测到一个位错误。但是在仲裁区的填充位流期间或应答间隙送出隐性位而检测到显性位时，不认为是错误位。送出认可错误标注的发送器，在检测到显性位时也不认为是错误位。

填充错误:在使用位填充方法进行编码的报文中，出现了第6个连续相同的位电平时，将检 测出一个填充错误。

CRC错误:CRC序列是由发送器CRC计算的结果组成的。接收器以和发送器相同的方法计算CRC。如果计算的结果和接收到的CRC序列不同，则检测出一个CRC错误。

形式错误: 当固定形式的位区中出现一个或多个非法位时，则检测到一个形式错误。

应答错误:在应答间隙，发送器未检测到显性位时，则由它检测出一个应答错误。

检测到出错条件的节点通过发送错误标志进行标定。当任何节点检测出位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，由该节点在下一位开始发送出错误标志。

当检测到CRC错误时。出错标志在应答界定符后面那一位开始发送.除非其他出错条件的错误标志已经开始发送。

在CAN总线中，任何一个单元可能处于下列3种故障状态之一:错误激活状态(ErrorActive)、错误认可状态(Error Passitive)和总线关闭状态(Bus off)。

错误激活单元可以照常参和总线通信，并且当检测到错误时，送出一个活动错误标志。错误 认可节点可参和总线通信，但是不允许送出活动错误标志。当其检测到错误时，只能送出认可错 误标志，并且发送后仍为错误认可状态，直到下一次发送初始化。总线关闭状态不允许单元对总 线有任何影响。

为了界定故障，在每个总线单元中都设有2个计数:发送出错计数和接收出错计数。这些 计数按照下列规则进行。

(1)接收器检查出错误时，接收器错误计数器加1，除非所有检测错误是发送活动错误标志或超载标志期间的位错误。

(2)接收器在送出错误标志后的第一位检查出显性位时，错误计数器加8。

(3)发送器送出一个错误标志时，发送器错误计数器加8。有两种情况例外:其一是如果发 送器为错误认可，由于未检测到显性位应答或检测到应答错误，并且在送出其认可错误标志时，未检测到显性位;另外一种情况是如果仲裁器件产生填充错误，发送器送出一个隐性位错误标志，而检测到的是显性位。除以上两种情况外，发送器错误计数器计数不改变。

(4)发送器送出一个活动错误标志或超载标志时，检测到位错误，则发送器错误计数器加8。

(5)在送出活动错误标志、认可错误标志或超载错误标志后，任何节点都最多允许连续7个显性位。在检测到第11个连续显性位后，或紧随认可错误标志检测到第8个连续的显性位，以及附加的8个连续的显性位的每个序列后，每个发送器的发送错误计数都加8，并且每个接收器的接收错误计数也加8。

(6)报文成功发送后，发送错误计数减1，除非计数值已经为0。

(7)报文成功发送后，如果接收错误计数处于1~197之间，则其值减1;如果接收错误计数为0，则仍保持为0;如果大于127，则将其值记为119~127之间的某个数值。

(8)当发送错误计数等于或大于128，或接收错误计数等于或大于128时，节点进入错误认,可状态，节点送出一个活动错误标志。

(9)当发送错误计数器大于或等于256时，节点进入总线关闭状态。

(1O)当发送错误计数和接收错误计数均小于或等于127时，错误认可节点再次变为错误激活节点。

(11)在检测到总线上11个连续的隐性位发送128次后，总线关闭节点将变为2个错误计数器均为0的错误激活节点。

(12)当错误计数器数值大于96时，说明总线被严重干扰。

如果系统启动期间仅有1个节点挂在总线上，此节点发出报文后，将得不到应答，检查出错误并重复该报文，此时该节点可以变为错误认可节点，但不会因此关闭总线。\

1、汽车制造中的应用

应用CAN总线，可以减少车身布线，进一步节省了成本，由于采用总线技术，模块之间的信号传递仅需要两条信号线。布线局部化，车上除掉总线外其他所有横贯车身的线都不再需要了，节省了布线成本。CAN总线系统数据稳定可靠，CAN总线具有线间干扰小、抗干扰能力强的特点。CAN总线专为汽车量身定做，充分考虑到了汽车上恶劣工作环境，比如点火线圈点火时产生的强大的反充电压，电涡流缓冲器切断时产生的浪涌电流及汽车发动机仓100℃左右的高温。

随着安全性能日益受到重视,安全气囊也将逐渐增多,以前是在驾驶员前面安装一个,今后侧面与后座都会安装安全气囊,这些气囊通过传感器感受碰撞信号,通过 CAN总线将传感器信号传送到一个中央处理器内,控制各安全气囊的启动弹出动作。同时,先进的防盗设计也正基于CAN总线网络技术。首先,确认钥匙合法性的校验信息通过CAN网络进行传递,改进了加密算法,其校验的信息比以往的防盗系统更丰富;其次,车钥匙、防盗控制器和发动机控制器相互储存对方信息,而且在校验码中搀杂随机码,无法进行破译,从而提高防盗系统的安全性。而这些功能的实现无一不借助CAN总线来完成,CAN总线成为汽车智能化控制的"定海神针"。

在现代轿车的设计中,CAN已经成为必须采用的装置。奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了CAN作为控制器联网的手段。据报道,中国首辆CAN 网络系统混合动力轿车已在奇瑞公司试装成功,并进行了初步试运行。在上海大众的帕萨特和POLO汽车上也开始引入了CAN总线技术。但总的来说,目前 CAN总线技术在我国汽车工业中的应用尚处于试验和起步阶段,绝大部分的汽车还没有采用汽车总线设计。国内在技术、设计和应用上进行网络总线的"深造"势在必行。

2、大型仪器设备中的应用

大型仪器设备是一种参照一定步骤对多种信息采集、处理、控制、输出等操作的复杂系统。过去这类仪器设备的电子系统往往是在结构和成本方面占据相当大的部分，而且可靠性不高。采用CAN总线技术后，在这方面有了明显改观。

以医疗设备为例，病理分布式监控系统分别由中央控制式的中央监控单元和现场采集单元。 现场采集单元对医院各室诊断测量仪器进行数据、图像的实时采集，同时完成数据统计、存贮; 中央监控单元可以定期或不定期地从现场采集单元获取数据并完成图像监测、数据统计、报表、打印及数据库管理。中央监控单元和现场采集单元之间通过CAN总线连接在一起，在这个网络中，中央监控单元处于主控位置，而现场采集单元可以随时响应中央监控单元的命令。其现场采集单元由单片机8C552及采集、存储、显示、遥控和通信模块组成,每个现场采集单元可与10个测量仪器相接。

Can总线是针对测控领域设计的，所以一次传输的报文量很小，一次报文量最大能够承载的数据上限为8字节，这种小数据量的传输一方面能够使得低优先级事务的传输，另一方面也非常符合测控需求。针对can总线技术的诸多优点，非常适合应用于大型仪器系统模块化之间的互相通信，采用模块化组网的方式构建大型仪器系统。

3、工业控制中的应用

随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展,传统的工业控制领域正经历着一场前所未有的变革,而工业控制的网络化,更拓展了工业控制领域的发展空间,带来新的发展机遇。在广泛的工业领域，CAN总线可作为现场设备级的通信总线，而且与其他的总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比。这将是CAN技术开发应用的一个主要的方向。

例如，瑞士一家公司开发的轴控制系统ACS-E就带有CAN接口。该系统可作为工业控制网络中的一个从站，用于控制机床、机器人等。一方面通过CAN总线上上位机通信，另一方面可通过CAN总线对数字式伺服电机进行控制。通过CAN总线最多可连接6台数字式伺服电机。

目前CAN总线技术在工程机械上的应用越来越普遍。国际上一些著名的工程机械大公司如CAT、VOLVO、利勃、海尔等都在自己的产品上广泛采用CAN总线技术，大大提高了整机的可靠性、可检测和可维修性，同时提高了智能化水平。而在国内，CAN总线控制系统也开始在工程汽车的控制系统中广泛应用，在工程机械行业中也正在逐步推广应用。

4、智能家庭和生活小区管理中的应用

小区智能化是一个综合性系统工程，要从其功能、性能、成本、扩充能力及现代相关技术的应用等多方面来考虑。基于这样的需求，采用CAN技术所设计的家庭智能管理系统比较适合用于多表远传、防盗、防火、防可燃气体泄漏、紧急救援、家电控制等方面。

CAN总线是小区管理系统的一部分，负责将家庭中的一些数据和信号收集起来，并送到小区管理中心处理，CAN总线上的节点是每户的家庭控制器、小区的三表抄收系统和报警监测系统，每户的家庭控制系统可通过总线发送报警信号，定期向自动抄表系统发送三表数据，并接收小区管理系统的通告信息，如欠费通知、火警警报等。

该系统充分利用CAN技术的特点和优势，构成住宅小区智能化检测系统，系统集多表集抄、防盗报警、水电控制、紧急求助、煤气泄漏报警、火灾报警和供电监控子系统等功能，并提供远程通讯服务。

5、机器人网络互联中的应用

制造车间底层设备自动化，近几年仍是我国开展新技术研究和新技术应用工程及产品开发的主要领域，其市场需求不断增大且越发活跃，竞争也日益激烈。伴随着工业机器人的产业化，目前机器人系统的应用大多要求采用机器人生产方式，这就要求多台机器人能通过网络进行互联。随之而来的是，在实际生产过程中，这种连网的多机器人系统的调度、维护工作也变得尤为重要。制造车间底层电气装置联网是近几年内技术发展的重点。其电器装置包括有:运动控制器、基于微处理器的传感器、专用设备控制器等底层设备;在这些装置所构成的网络上另有车间级管理机、监控机或生产单元控制器等非底层装置。结合实际情况和要求，将机器人控制器视为运动控制器。

把CAN总线技术充分应用于现有的控制器当中，将可开发出高性能的多机器人生产线系统。利用现有的控制技术，结合CAN技术和通信技术，通过对现有的机器人控制器进行硬件改进和软件开发，并相应地开发出上位机监控软件，从而实现多台机器人的网络互联。最终实现基于CAN网络的机器人生产线集成系统。这样做的好处很多，例如实现单根电缆串接全部设备，节省安装维护开销;提高实时性，信息可共享;提高多控制器系统的检测、诊断和控制性能;通过离线的任务调度、作业的下载以及错误监控等技术，把一部分人从机器人工作的现场彻底脱离出来。

CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计,CAN总线越来越受到人们的重视，它在汽车领域上的应用是最广泛的。世界上一些著名的汽车制造厂商大都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准,并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。

1.1 计算机网络体系结构与拓扑结构

1.1.1 计算机网络体系结构

1.1.2 网络互联设备

1.1.3 网络拓扑结构

1.2 CAN总线简介

1.2.1 CAN总线是什么

1.2.2 CAN总线的特点

1.2.3 CAN总线传输介质

1.2.4 CAN总线拓扑结构与设备

1.3 报文传输

1.3.1 帧类型

1.3.2 帧格式

1.3.3 帧优先级仲裁

1.4 报文滤波与校验

1.5 编码--位填充

1.6 错误处理与故障界定

1.6.1 错误类型

1.6.2 节点错误处理

1.6.3 故障界定方法

1.7 位定时要求

本章小结

2.1 为什么构建CAN应用层协议

……第3章 CAN控制器和驱动器第4章 硬件系统设计与实践第5章 基础实验实践第6章 CAN总线节点的自收发实例设计第7章 CAN总线两节点通信实例设计第8章 CAN-RS232网桥设计第9章 基于iCAN协议的温控系统设计第10章 感悟设计附录 邮政系统与CAN总线通信系统对比后记