12- 利用CAN实现多机通信

本书结合汽车技术发展和汽车类专业特点，按照“由简到难、循序渐进”的原则，共设置了“绪论”“汽车程序设计基础”“汽车嵌入式技术基础”三部分内容。通过本书的学习，可以从整体上加深理解汽车电子控制系统的组成和工作原理，对后续的汽车电子控制技术类课程和智能网联汽车技术类课程学习奠定良好的汽车计算机基础。

本书特色：任务驱动，理实一体，学以致用。内容组织由简到难、循序渐进，灵活采用对比法、类比法、启发法、实验法等多种教学方法，有效降低教学难度和学习难度。

本书可作为高职院校汽车类专业的汽车计算机基础教材，也可供从事相关技术的工程人员参考。第7单元：利用GPIO实现闪灯和开关状态检测与控制功能第8单元：利用定时中断实现频闪灯第9单元：利用PWM实现灯光亮度控制第10单元：利用UART实现上位机和下位机通信第11单元：利用ADC设计简易数字电压表第12单元：利用CAN实现多机通信汽车嵌入式技术基础

第12单元

利用CAN实现多机通信

CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域网）是由德国Bosch公司针对汽车电子领域开发的具有国际标准的现场总线，具有很强的可靠性、安全性和实时性，广泛应用于汽车电子、工业控制、农业控制、机电产品等领域的分布式测控系统中。【单元导读】

单元学习目标：（1）理解CAN的通用知识，包括CAN的相关概念、硬件结构、通信原理和优点。（2）掌握MCU的CAN底层驱动构件使用方法。（3）掌握多机之间CAN通信的应用层程序设计和功能测试方法。（4）能够利用CAN实现汽车分布式测控系统设计。任务12.1理解CAN的通用知识12.1.1CAN系统的总体构成和CAN节点的硬件结构120Ω120Ω负载电阻（终端电阻）的作用是防止反射波干扰CAN系统主要由若干个节点、两条数据传输线（CAN-H和CAN-L）及负载电阻组成。1、CAN系统的总体构成任务12.1理解CAN的通用知识12.1.1CAN系统的总体构成和CAN节点的硬件结构2、CAN节点的硬件结构CAN节点的硬件结构主要由传感器、MCU、CAN控制器、CAN收发器、执行器组成。任务12.1理解CAN的通用知识12.1.2CAN的网络通信原理1、CAN的网络结构：CAN控制器硬件实现CAN收发器硬件实现

CAN应用系统软件设计的主要任务是对其应用层程序进行设计应用层、数据链路层、物理层——实时性强任务12.1理解CAN的通用知识12.1.2CAN的网络通信原理2、CAN的数据传输流程数据打包并/串转换数字信号→电压信号边说边听电压信号→数字信号验收过滤串/并转换数据解包ID

+长度+相关数据CRC应答信号任务12.1理解CAN的通用知识12.1.2CAN的网络通信原理3、CAN总线电压信号与数字信号之间的关系CAN收发器11位以上的隐性位：空闲CAN-H与CAN-L的电压值具有何特点？任务12.1理解CAN的通用知识12.1.2CAN的网络通信原理4、CAN的帧ID、数据优先级、数据的仲裁

CAN为多主工作方式，任一节点均可在任意时刻主动地向CAN总线上发送数据，而不分主从。

若有多个节点同时向CAN总线上发送数据，那么在CAN系统中是如何实现数据的仲裁（决定哪个数据先发，哪个数据后发）？——需要先理解帧ID和数据优先级的关系

节点发送的数据包实时性要求越高，优先级越高，对应的帧ID就越小。

原理：当多个节点同时向总线上发送数据时，总线上的结果是这多个数据“逻辑与”的值。节点A发送数据:

0节点B发送数据：

10—显性位1—隐性位0优先级高！总线上显示数据：

0在实际应用时，应该按照数据包的优先级，给每个数据包分配一个唯一的ID。任务12.1理解CAN的通用知识12.1.2CAN的网络通信原理4、CAN的帧ID、数据优先级、数据的仲裁

当一个节点向CAN总线上发送数据包时，首先向总线上发送自己的帧ID。

在发送帧ID的过程中，如果一个节点向总线上发送的数据和从总线上接收到的数据一致，那么该节点就可以继续向总线上发送数据；否则，该节点就要停止向总线上发送数据。

3个节点通过帧ID进行优先级竞争的结果：节点1首先获得总线使用权；在节点1将其数据包发送完毕后，若总线处于空闲状态，则系统会自动使节点2和节点3继续通过发送帧ID重新竞争总线的使用权（自动重发）。

在仲裁过程中，不会出现不同优先级数据包之间的相互破坏——“非破坏性仲裁”。【同步练习12-1】第2题CAN通信优先级分析及应用。任务12.1理解CAN的通用知识12.1.2CAN的网络通信原理5、CAN验收过滤功能的实现过滤器标识符寄存器：100101102

过滤器掩码寄存器：

-----

有关有关发送：101+数据A？？接收放弃接收接收

放弃接收发送：102+数据A发送：***+数据A

过滤器掩码寄存器：

-----

无关无关例：三个节点：A（发送）、B（接收）、C（接收）

节点A节点B节点CCAN-BUS

帧ID过滤器掩码寄存器：

无关

-----

-----？接收过滤器标识符寄存器：100101102例：三个节点：A（接收）、B（发送）、C（发送）

节点A节点B节点CCAN-BUS发送：***+数据B

帧ID发送：***+数据C

帧ID

通过CAN控制器中过滤器的标识符寄存器和掩码寄存器实现。——点对点、一点对多点（广播式）、多点对一点任务12.1理解CAN的通用知识12.1.2CAN的网络通信原理5、CAN验收过滤功能的实现过滤器标识符寄存器10010110110过滤器掩码寄存器（1表示此位“无关”，0表示此位“有关”）1

0000000000可以接受的数据帧的ID0001011011010010110110

若某个节点的过滤器标识符寄存器和过滤器掩码寄存器的设置如表所示，则该节点可以接受的数据帧的ID？任务12.1理解CAN的通用知识12.1.2CAN的网络通信原理6、CAN数据帧的组成

在CAN节点之间的通信中，若将数据从一个节点的发送器传输到另一个节点的接收器，则必须发送数据帧。发送方：写1接收方正确接收：写0总线值：0由CAN控制器硬件自动处理帧内应答实时性强由CAN控制器硬件自动完成有效数据：0~8字节，由用户通过编程设定主要包括有效数据的长度，由用户通过编程设定：0~8字节

主要包括帧ID和远程发送请求位（RTR），由用户通过编程设定。

由CAN控制器硬件自动完成由CAN控制器硬件自动完成

标准格式帧的ID为11位，扩展格式帧的ID为29位。RTR=0，表示该帧为数据帧任务12.1理解CAN的通用知识8.1.2CAN的网络通信原理7、CAN的波特率（各节点必须使用相同的波特率才能正常通信）8、CAN-H与CAN-L中的“H”和“L”的真正含义CAN-HCAN-L任务12.1理解CAN的通用知识12.1.3CAN的优点——具有很强的高可靠性、安全性和实时性（1）采用双绞线和差分电压机制——“既能防人，又不害人”（2）采用“边说边听”方式的非破坏性仲裁机制（3）采用短帧格式，核心的有效数据最多8字节——高实时性和可靠性（4）采用先进的循环冗余校验——高可靠性（5）采用帧内应答机制——高实时性

【同步练习12-1】知识巩固。

1、KEA128的CAN模块

KEA128芯片具有一个CAN模块，其发送数据引脚为CAN0_TX，接收数据引脚为CAN0_RX。CAN模块对应的芯片引脚请见can.h头文件中的相关宏定义。任务12.2掌握MCU的CAN底层驱动构件使用方法任务12.2掌握MCU的CAN底层驱动构件使用方法2、KEA128的CAN底层驱动构件及使用方法CAN具有初始化、发送和接收三种基本操作。其中，CAN发送是主动任务，不必采用中断方式；而CAN接收是被动任务，为了确保及时接收到对方发送来的每帧数据，CAN接收一般采用中断方式。

CAN底层驱动构件由can.h头文件和can.c源文件组成，若要使用CAN底层驱动构件，只需将这两个文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底层驱动构件）文件夹中。见工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx

其中，can.h头文件主要包括相关头文件的包含、一些必要的宏定义、CAN通信的数据包结构体声明、对外接口函数的声明，而can.c源文件则是对外接口函数的具体实现，初学者不必深究。

用户只要熟悉can.h头文件的内容，即可使用CAN底层驱动构件进行编程，实现对CAN的相关操作。

【同步练习12-2】学以致用。

任务12.3多机之间的CAN通信应用层程序设计与功能测试

用带有CAN通信接口的两个KEA128实验板作为两个CAN节点：节点A和节点B。

实现：用节点A的开关控制节点B的小灯亮灭功能，CAN通信应用层约定如下：在工程文件中分析代码并编程：..EmbededSo