当前位置：首页 > 第10章 K60的CAN总线开发方法
第10章 K60的CAN总线开发方法
本章导读：CAN总线是一种应用广泛的串行通信协议之一，主要应用于对数据完整性有严格需求的汽车电子和工业控制领域。由于CAN总线具有差分接收与发送的特点，使其在抗干扰以及错误检测等方面的性能大大提高，成为了诸多工业测控领域中首选的现场总线。本章主要知识点有①CAN总线的通用知识；②CAN 总线基本的硬件连接与技术特点；③Kinetis系列中K60的FlexCAN模块介绍与编程要点；④FlexCAN驱动构件设计与实现；⑤CAN驱动构件测试实例，包括回环测试和非回环测试。
10.1 CAN总线基础知识
10. 1. 1 CAN总线协议的历史概况
控制器局域网（Controller Area Network, CAN）,最早出现于20世纪80年代末，是德国Bosch公司为简化汽车电子中信号传输方式并减少日益增加的信号线而提出的。CAN总线是一个单一的网络总线，所有的外围器件都可以挂接在该总线上。1991年9月Bosch公司制定并发布了CAN技术规范Version2.0。该技术规范包括A和B两部分，A部分给出了曾在CAN技术规范Version1.2中定义的CAN报文格式，而B部分给出了标准的和扩展的两种报文格式。为促进CAN技术的发展，1992年在欧洲成立了CiA (CAN in Automation)。在CiA的努力推广下，CAN技术在汽车电子、电梯控制、安全监控、医疗仪器、船舶运输等方面均得到了广泛的应用，目前已经成为国际上应用最广泛的现场总线之一。
在CAN技术未得到广泛应用之前，在测控领域的通信方式选择中，大多数设计者采用RS-485作为通信总线。但RS-485存在明显的缺点：一主多从、无冗余； 数据通信为命令响应，传输率低；错误处理能力弱。而CAN总线技术可以克服这些缺点。CAN网络上的任何一个节点均可作为主节点主动地与其他节点交换数据；CAN网络节点的信息帧可以分出优先级，这为有实时性要求的控制提供了方便；CAN的物理层及数据链路层有独特的设计技术，使其在抗干扰以及错误检测等方面的性能大大提高。CAN的上述特点使其成为诸多工业测控领域中首选的现场总线。
10. 1. 2 CAN硬件系统的典型电路
由于CAN控制器只是协议控制器，不能提供物理层驱动，所以在实际使用时每一个CAN节点物理上要通过一个收发器与CAN总线相连。每个CAN模块有发送CANTX和接收CANRX两个引脚。CANTX发送串行数据到CAN总线收发器，同时CANRX从 CAN总线收发器接收串行数据。常用的CAN收发器有Philips公司的PCA82C250、TI公司的SN65HVD230等。
1. 最简明的CAN硬件连接方法
最简明的CAN硬件连接方法如图10-1，把所有的CANTX线路经过快速二极管（如1N4148等）连接至数据线（以免输出引脚短路），CANRX输入直接连接到这条数据线，数据线由一个上拉电阻拉至+5V，以产生所需要的“1”电平。注意，该电路中各节点的地是接在一起的。这个电路最大线长限制在1 m左右，主要用于在电磁干扰较弱环境下的近距离通信。
图10-1 无须CAN收发器芯片的电路连接
进行CAN通信节点调试时，可以利用这个简单且易于实现的电路。另外，可以利用该电路理解CAN总线的通信机制。
2. 常用的CAN硬件系统的组成
常用的CAN硬件系统的组成如图10-2所示。
图10-2 常用的CAN硬件系统组成
注意：CAN通信节点上一般需要添加120Ω终端电阻。每个CAN总线只需要两个终端电阻，分别在主干线的两个端点，支线上的节点不必添加。下面给出图10-2的实际电路。
3. 带隔离的典型CAN硬件系统电路
Philips公司的CAN总线收发器PCA82C250能对CAN总线提供差动发送功能并对CAN控制器提供差动接收功能。在实际应用过程中，为了提高系统的抗干扰能力，CAN控制器引脚CANTX、CANRX和收发器PCA82C250并不是直接相连的，而是通过由高速光耦合器6N137构成的隔离电路后再与PCA82C250相连的，这样可以很好地实现总线上各节点的电气隔离。一个带隔离的典型CAN硬件系统电路如图10-3所示。
图10-3 带隔离的典型CAN硬件系统电路
该电路连接需要特别注意以下几个问题。
(1) 6N137部分的电路所采用的两个电源VCC1和VCC2需完全隔离，否则，光耦将达不到完全隔离的效果。可以采用带多个5V输出的开关电源模块实现。
(2) PCA82C250的CANH和CANL引脚通过一个5Ω的限流电阻与CAN总线相连，保护PCA82C250免受过流的冲击。PCA82C250的电源管脚旁应有一个0.1μF的去耦电容。Rs引脚为斜率电阻输入引脚，用于选择PCA82C250的工作模式（高速/斜率控制/待机），脚上接有一个下拉电阻，电阻的大小可根据总线速率适当的调整，其值一般在16?140 kΩ之间，图10-3中选用47 kΩ。关于电路相连的更多细节请参见6N137手册以及PCA82C250手册。
4. 不带隔离的典型CAN硬件系统电路
在电磁干扰较弱的环境下，隔离电路可以省略，这样CAN控制器可直接与CAN 收发器相连，如图10-4所示，图中所使用的CAN收发器为TI公司的SN65HVD230。
图10-4 不带隔离的典型CAN硬件系统电路
10. 1. 3 CAN总线的有关基本概念
CAN通信协议主要描述设备之间的信息传递方式。CAN各层的定义与开放系统互连模型（0SI）—致，每一层与另一设备上相同的那一层通信。实际的通信发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过物理层的物理介质互连。在CAN规范的ISO参考模型中，定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层，它们是设计CAN应用系统的基本依据。规范主要是针对CAN控制器的设计者而言，对于大多数应用开发者来说，只需对CAN V2.0版技术规
范的基本结构、概念、规则有一般了解，知道一些基本参数和可访问的硬件即可。下面给出与CAN通信接口编程相关的部分术语。
1. CAN总线上的数据表示
CAN总线由单一通道（Single Channel）组成，借助数据再同步实现信息传输。CAN技术规范中没有规定物理通道的具体实现方法，物理层可以是单线（加地线）、两条差分线、光纤等。实际上大多数使用双绞线，利用差分方法进行信号表达，它是一种半双工通信方式。
CAN总线上用显性（Dominant）和隐性（Recessive）分别表示逻辑0和逻辑1。若不同控制器同时向总线发送逻辑0和逻辑1时，总线上出现逻辑0（相当于逻辑与的关系）。物理上，现行的CAN总线大多使用二线制作为物理传输介质，使用差分电压表达逻辑0和逻辑1。设两条信号线分别被称为CAN_H和CAN_L，如图10-5所示。在隐性状态（即逻辑1）时，VCAN_H和VCAN_L被固定在平均电压2.5V左右，电压差（Vdiff=VCAN_H - VCAN_L）近似于0。在显性状态（即逻辑0）时，VCAN_H比 VCAN_L髙，此时通常VCAN_H=3. 5V，VCAN_L =1.5V，电压差（Vdiff=VCAN_H - VCAN_L）在2V左右。在总线空闲或隐性位期间，发送隐性位。
图10-5 总线数据表示
2. 报文、信息路由、位速率、位填充
报文（Message）: 是指在总线上传输的固定格式的信息，其长度是有限制的。当总线空闲时，总线上任何节点都可以发送新报文。报文被封装成帧（Frame）的形式在总线上传送，具体定义见10. 1.4节。 信息路由（Information Routing）：在CAN系统中，CAN不对通信节点分配地址，报文的寻址内容由报文的标识符ID指定。总线上所有节点可以通过报文过滤的方法来判断是否接收报文。
位速率（Bit Rate）：是指CAN总线的传输速率。在给定的CAN系统中，位速率是固定唯一的。CAN总线上任意两个节点之间的最大传输距离与位速率有关，表10-1列出了距离与位速率的对应关系，这里的最大距离是指在不使用中继器的情况下两个节点之间的距离。
表10-1 CAN总线上任意两节点最大距离及位速率对应表
位填充（Bit Stuffing）：是为防止突发错误而设定的功能。当同样的电平持续5位时，则添加一个位的反型数据，即连续出现5个“0”时，需要添加一个“1”。连续出现5个“1”时，需要添加一个“0”。
3. 多主机、标识符、优先权、仲栽
本文作者：...共分享92篇相关文档
