《基于構(gòu)件化的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 課件 項(xiàng)目8 利用CAN實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可移植和可復(fù)用，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構(gòu)件化的設(shè)計(jì)思想，即對(duì)嵌入式硬件和嵌入式軟件進(jìn)行封裝，供系統(tǒng)設(shè)計(jì)者調(diào)用，并倡導(dǎo)嵌入式軟件分層設(shè)計(jì)的理念，以大幅度降低嵌入式技術(shù)學(xué)習(xí)難度和開發(fā)難度。

本書特色：項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)，突出學(xué)以致用，注重實(shí)踐創(chuàng)新。每個(gè)項(xiàng)目且均采用了“通用知識(shí)”→“嵌入式構(gòu)件設(shè)計(jì)”→“應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)”→“學(xué)以致用與創(chuàng)新”的學(xué)習(xí)流程。采用“搭積木”的思想，逐步提高嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

本書可作為高等學(xué)校電子信息類、計(jì)算機(jī)類、自動(dòng)化類等專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教材，也可作為嵌入式技術(shù)培訓(xùn)教材，還可供從事嵌入式技術(shù)開發(fā)的工程技術(shù)人員參考。項(xiàng)目1：GPIO基礎(chǔ)應(yīng)用—實(shí)現(xiàn)閃燈和開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能項(xiàng)目2：利用定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)頻閃燈項(xiàng)目3：GPIO和定時(shí)器的綜合應(yīng)用—實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤測控、測溫功能項(xiàng)目4：利用UART實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信項(xiàng)目5：利用

Timer

實(shí)現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能項(xiàng)目6：利用

ADC

設(shè)計(jì)簡易數(shù)字電壓表項(xiàng)目7：利用SPI實(shí)現(xiàn)多機(jī)串行通信項(xiàng)目8：利用CAN實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信教

材

內(nèi)

容

項(xiàng)目8利用CAN實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信【項(xiàng)目導(dǎo)讀】

CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域網(wǎng)）是德國Bosch公司針對(duì)汽車電子領(lǐng)域開發(fā)的具有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，由于CAN具有很強(qiáng)的可靠性、安全性和實(shí)時(shí)性，目前CAN廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)控制、機(jī)電產(chǎn)品等領(lǐng)域的分布式測控系統(tǒng)中。利用CAN可以很方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)網(wǎng)。【學(xué)習(xí)目標(biāo)】（1）理解CAN的通用知識(shí)，包括CAN的相關(guān)概念、硬件結(jié)構(gòu)、通信原理和優(yōu)點(diǎn)。（2）熟悉MCU的CAN主要特性和引腳，掌握MCU的CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的使用方法。（3）能夠利用MCU的CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件頭文件進(jìn)行多機(jī)之間的CAN應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)，并掌握CAN通信功能測試方法。*（4）熟悉MCU的CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件源文件的設(shè)計(jì)方法。任務(wù)8.1

理解CAN的通用知識(shí)8.1.1CAN系統(tǒng)的總體構(gòu)成和CAN節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)120Ω120Ω負(fù)載電阻（終端電阻）的作用是防止反射波干擾CAN系統(tǒng)主要由若干個(gè)節(jié)點(diǎn)、兩條數(shù)據(jù)傳輸線（CAN-H和CAN-L）及負(fù)載電阻組成。1、CAN系統(tǒng)的總體構(gòu)成任務(wù)8.1

理解CAN的通用知識(shí)8.1.1CAN系統(tǒng)的總體構(gòu)成和CAN節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)2、CAN節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)CAN節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)主要由傳感器、MCU、CAN控制器、CAN收發(fā)器、執(zhí)行器組成。任務(wù)8.1

理解CAN的通用知識(shí)8.1.2CAN的網(wǎng)絡(luò)通信原理1、CAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：CAN控制器硬件實(shí)現(xiàn)CAN收發(fā)器硬件實(shí)現(xiàn)

CAN應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對(duì)其應(yīng)用層程序進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層——實(shí)時(shí)性強(qiáng)任務(wù)8.1

理解CAN的通用知識(shí)8.1.2CAN的網(wǎng)絡(luò)通信原理2、CAN的數(shù)據(jù)傳輸流程數(shù)據(jù)打包并/串轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)→電壓信號(hào)邊說邊聽電壓信號(hào)→數(shù)字信號(hào)驗(yàn)收過濾串/并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)解包ID

+長度+相關(guān)數(shù)據(jù)CRC應(yīng)答信號(hào)任務(wù)8.1

理解CAN的通用知識(shí)8.1.2CAN的網(wǎng)絡(luò)通信原理3、CAN總線電壓信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的關(guān)系CAN收發(fā)器11位以上的隱性位：空閑CAN-H與CAN-L的電壓值具有何特點(diǎn)？任務(wù)8.1

理解CAN的通用知識(shí)8.1.2CAN的網(wǎng)絡(luò)通信原理4、CAN的幀ID、數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)、數(shù)據(jù)的仲裁

CAN為多主工作方式，任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向CAN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，而不分主從。

若有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向CAN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，那么在CAN系統(tǒng)中是如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的仲裁（決定哪個(gè)數(shù)據(jù)先發(fā)，哪個(gè)數(shù)據(jù)后發(fā)）？——需要先理解幀ID和數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)的關(guān)系

節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包實(shí)時(shí)性要求越高，優(yōu)先級(jí)越高，對(duì)應(yīng)的幀ID就越小。

原理：當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線上的結(jié)果是這多個(gè)數(shù)據(jù)“邏輯與”的值。節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù):

0節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)：

10—顯性位1—隱性位0優(yōu)先級(jí)高！總線上顯示數(shù)據(jù)：

0在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該按照數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)，給每個(gè)數(shù)據(jù)包分配一個(gè)唯一的ID。注意：CAN協(xié)議要求ID的高7位不能同時(shí)為1。任務(wù)8.1

理解CAN的通用知識(shí)8.1.2CAN的網(wǎng)絡(luò)通信原理4、CAN的幀ID、數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)、數(shù)據(jù)的仲裁

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)向CAN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，首先向總線上發(fā)送自己的幀ID。

在發(fā)送幀ID的過程中，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)向總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)和從總線上接收到的數(shù)據(jù)一致，那么該節(jié)點(diǎn)就可以繼續(xù)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)；否則，該節(jié)點(diǎn)就要停止向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。

3個(gè)節(jié)點(diǎn)通過幀ID進(jìn)行優(yōu)先級(jí)競爭的結(jié)果：節(jié)點(diǎn)1首先獲得總線使用權(quán)；在節(jié)點(diǎn)1將其數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢后，若總線處于空閑狀態(tài)，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)使節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3繼續(xù)通過發(fā)送幀ID重新競爭總線的使用權(quán)（自動(dòng)重發(fā)）。

在仲裁過程中，不會(huì)出現(xiàn)不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包之間的相互破壞——“非破壞性仲裁”。【學(xué)以致用】CAN通信優(yōu)先級(jí)分析及應(yīng)用。任務(wù)8.1

理解CAN的通用知識(shí)8.1.2CAN的網(wǎng)絡(luò)通信原理5、CAN驗(yàn)收過濾功能的實(shí)現(xiàn)【學(xué)以致用】

表8-1：CAN驗(yàn)收過濾應(yīng)用分析。過濾器標(biāo)識(shí)符寄存器：100101102

過濾器掩碼寄存器：

-----

有關(guān)有關(guān)發(fā)送：101+數(shù)據(jù)A？？接收放棄接收接收

放棄接收發(fā)送：102+數(shù)據(jù)A發(fā)送：***+數(shù)據(jù)A

過濾器掩碼寄存器：

-----

無關(guān)無關(guān)例：三個(gè)節(jié)點(diǎn)：A（發(fā)送）、B（接收）、C（接收）

節(jié)點(diǎn)A節(jié)點(diǎn)B節(jié)點(diǎn)CCAN-BUS

幀ID過濾器掩碼寄存器：

無關(guān)

-----

-----？接收過濾器標(biāo)識(shí)符寄存器：100101102例：三個(gè)節(jié)點(diǎn)：A（接收）、B（發(fā)送）、C（發(fā)送）

節(jié)點(diǎn)A節(jié)點(diǎn)B節(jié)點(diǎn)CCAN-BUS發(fā)送：***+數(shù)據(jù)B

幀ID發(fā)送：***+數(shù)據(jù)C

幀ID

通過CAN控制器中過濾器的標(biāo)識(shí)符寄存器和掩碼寄存器實(shí)現(xiàn)?！c(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（廣播式）、多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)任務(wù)8.1

理解CAN的通用知識(shí)8.1.2CAN的網(wǎng)絡(luò)通信原理6、CAN數(shù)據(jù)幀的組成

在CAN節(jié)點(diǎn)之間的通信中，若將數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送器傳輸?shù)搅硪粋€(gè)節(jié)點(diǎn)的接收器，則必須發(fā)送數(shù)據(jù)幀。發(fā)送方：寫1接收方正確接收：寫0總線值：0由CAN控制器硬件自動(dòng)處理幀內(nèi)應(yīng)答實(shí)時(shí)性強(qiáng)由CAN控制器硬件自動(dòng)完成有效數(shù)據(jù)：0~8字節(jié)，由用戶通過編程設(shè)定主要包括有效數(shù)據(jù)的長度，由用戶通過編程設(shè)定：0~8字節(jié)

主要包括幀ID和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位（RTR），由用戶通過編程設(shè)定。

由CAN控制器硬件自動(dòng)完成由CAN控制器硬件自動(dòng)完成

標(biāo)準(zhǔn)格式幀的ID為11位，擴(kuò)展格式幀的ID為29位。RTR=0，表示該幀為數(shù)據(jù)幀任務(wù)8.1

理解CAN的通用知識(shí)8.1.2CAN的網(wǎng)絡(luò)通信原理7、CAN的波特率（各節(jié)點(diǎn)必須使用相同的波特率才能正常通信）8、CAN-H與CAN-L中的“H”和“L”的真正含義CAN-HCAN-L任務(wù)8.1

理解CAN的通用知識(shí)8.1.3CAN的優(yōu)點(diǎn)——具有很強(qiáng)的高可靠性、安全性和實(shí)時(shí)性（1）采用雙絞線和差分電壓機(jī)制——“既能防人，又不害人”（2）采用“邊說邊聽”方式的非破壞性仲裁機(jī)制（3）采用短幀格式，核心的有效數(shù)據(jù)最多8字節(jié)——高實(shí)時(shí)性和可靠性（4）采用先進(jìn)的循環(huán)冗余校驗(yàn)——高可靠性（5）采用幀內(nèi)應(yīng)答機(jī)制——高實(shí)時(shí)性任務(wù)8.1

理解CAN的通用知識(shí)

【知識(shí)鞏固】

（1）畫出CAN節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

（2）簡述CAN的數(shù)據(jù)傳輸流程。

（3）CAN的幀ID有何作用？幀ID與數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)之間的關(guān)系？CAN是如何實(shí)現(xiàn)仲裁的？

（4）簡述CAN的驗(yàn)收過濾原理。

（5）簡述CAN的主要優(yōu)點(diǎn)。任務(wù)8.2掌握MCU的CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件使用方法8.2.1MCU的CAN主要特性和引腳

STM32F103C8T6中有

1個(gè)CAN模塊：CAN1。

有3種主要的工作模式：初始化、正常和睡眠。

硬件復(fù)位后，CAN進(jìn)入睡眠模式，以降低功耗?？赏ㄟ^軟件請(qǐng)求CAN退出睡眠模式而進(jìn)入初始化模式，在初始化模式中，完成CAN軟件初始化（設(shè)置工作方式、波特率，配置過濾器）。

一旦初始化完成，可通過軟件請(qǐng)求CAN進(jìn)入正常模式，這樣才能在CAN總線上進(jìn)行同步，并開始接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN1使用的引腳，見

can.h中的宏定義接收數(shù)據(jù)引腳：CAN_RX發(fā)送數(shù)據(jù)引腳：CAN_TX任務(wù)8.2掌握MCU的CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件使用方法8.2.2MCU的CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的組成及使用方法CAN具有初始化、發(fā)送和接收三種基本操作。其中，CAN發(fā)送是主動(dòng)任務(wù)，不必采用中斷方式；而CAN接收是被動(dòng)任務(wù)，為了確保及時(shí)接收到對(duì)方發(fā)送來的每幀數(shù)據(jù)，CAN接收一般采用中斷方式。

CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件由can.h頭文件和can.c源文件組成，若要使用CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，只需將這兩個(gè)文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件）文件夾中，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，can.h頭文件主要包括相關(guān)頭文件的包含、一些必要的宏定義、CAN通信的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)體聲明、對(duì)外接口函數(shù)的聲明，而can.c源文件則是對(duì)外接口函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)，初學(xué)者不必深究。

用戶只要熟悉can.h頭文件的內(nèi)容，即可使用CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件進(jìn)行編程?！緦W(xué)以致用】

根據(jù)can.h頭文件，寫出實(shí)現(xiàn)下列功能的函數(shù)調(diào)用語句。

（1）定義分別用于存放待發(fā)送CAN數(shù)據(jù)包和待接收CAN數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)體變量SendMsg和RecvMsg。

（2）對(duì)CAN模塊進(jìn)行初始化，其中波特率為100kbit/s，預(yù)想接收的幀ID值為0x0A，接收過濾器掩碼值為0x7FF。

（3）發(fā)送一幀CAN報(bào)文，其中待發(fā)送的CAN數(shù)據(jù)包保存在結(jié)構(gòu)體變量SendMsg中。

（4）接收一幀CAN報(bào)文，并將其保存至結(jié)構(gòu)體變量RecvMsg中。

（5）使能CAN接收中斷。任務(wù)8.2掌握MCU的CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件使用方