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CAN总线通信毕业论文

基于多路模拟开关的CAN总线通信协议设计

[摘要]以stm32107vc单片机为背景，以多路模拟开关为基础，以利用CAN总线较强的实时性，较远的传输距离，较强的电磁干扰能力，以及极低传送错误率的特点并添加多路模拟开关实时控制的优化功能用于各种生产现场为目的，详细介绍了CAN总线的特点和通信方式，并以此搭建了各节点间的通信。

详细介绍了CAN总线节点间通信的软件及协议设计，通过程序控制CAN收发器，配置接收中断以及过滤器，根据报文中的ID过滤不需要的信息，并向其他节点发送信息，通过CPU的GPIO向模拟开关发送高低电平，来实现模拟开关在不同情况下打开或关闭通信线路，用来将整个CAN总线上连接的节点分划到各个小局域网中，控制总线上的数据流量，避免不必要的信息传播，减少CAN总线的负担，提高了效率。

[关键词]stm32107vcCAN总线过滤器多路模拟开关GPIO

CANBUSCommunicationProtocolDesignBasedOnMulti-ChannelAnalogSwitch

[Abstract]Basedonthestm32107vcsingle-chipmicrocomputerasthebackground,basedonthemulti-channelanalogswitch,totakeadvantageofthecharacteristicsofCANbus’sstrongreal-time,fartransmissiondistance,strongabilityofelectromagneticinterference,andtheverylowtransmissionerrorrate,andaddaoptimizationfunctionofmulti-channelanalogswitchcontrolinrealtime,usedforvariousproductionsiteforthepurpose,introducedtheCANbuscharacteristicsandcommunicationway,andtosetupthecommunicationbetweeneachnode.IntroducedtheCANbusnodecommunicationbetweensoftwareandprotocoldesign,throughprogramcontroltheCANtransceiver,configurationandreceiveinterruptfilter,accordingtothemessageIDofthefilterdoesn'tneedtoinformation,andsendinformationtotheothernode,throughtheGPIOCPUtosendhighandlowleveltotheanalogswitch,toachievetheanalogswitchonorofflineindifferentcircumstances,usedtoconnectontheCANbusnodepartitiontothesmalllocalareanetwork,controlthedataflowonthebus,avoidunnecessaryinformationdissemination,reducetheburdenoftheCANBUS,improvedtheefficiency.

[KeyWords]stm32107vcCANBUSfiltermulti-channelanalogswitchGPIO

引言

CAN是控制器局域网络（ControllerAreaNetwork,CAN）的简称，属于现场总线（Fieldbus）的范畴，是众多的属于现场总线标准之一，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准（ISO118?

8）。

是国际上应用最广泛的现场总线之一。

在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。

它适用于工业控制系统，具有通信速率高、可靠性强、连接方便、性能价格比高等诸多特点。

它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，以其短报文帧及CSMA/CD-AMP（带有信息优先权及冲突检测的载波监听多路访问）的MAC（媒介访问控制）方式而倍受工业自动化领域中设备互连的厚爱。

近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

由于CAN总线的广泛应用，人们对其要求越来越多，对其的需求也不断变化，基于多路模拟开关的CAN总线通信协议，实现了生产现场局域网中各个节点在不同需求时可以自动选择是否至于相邻的节点通信以提高通信效率，减轻通信压力，使CAN总线变得更加灵活多变，以满足不同的需求。

第一章绪论

1.1CAN总线

1.1.1CAN总线的概念

CAN是控制器局域网络[1]（ControllerAreaNetwork,CAN）的简称，属于现场总线（Fieldbus）的范畴，是众多的属于现场总线标准之一，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准（ISO118?

8）。

是国际上应用最广泛的现场总线之一。

1.1.2CAN总线的应用

CAN总线适用于工业控制系统，具有通信速率高、可靠性强、连接方便、性能价格比高等诸多特点[2]。

近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

1.1.3多路模拟开关

模拟开关[3]是一种在数字信号控制下将模拟信号接通或断开的原件或电路,从多个模拟输入信号中切换选择所需输入通道模拟输入信号电路。

多路模拟开关一般由开关原件和控制电路两部分组成。

可以方便迅速的断开，接通电路，以实现各种功能的优化。

1.2本文的主要工作——设计基于多路模拟开关的CAN总线通信协议

使用两块stm32107vc主板搭建起CAN总线通信网络，将多路模拟开关加入CAN总线通信系统中，使用GPIO控制多路模拟开关的通断控制CAN总线上不同节点的通信通道的断与开，依照各种生产现场的不同情况，灵活的设计和控制各个节点的通信，避免不必要的通信广播到所有节点，以提高通信效率，减轻通信压力，使CAN总线变得更加灵活多变，以满足不同的需求。

减少为之后复杂的通信模型做基础。

第二章CAN总线系统结构及特点

2.1CAN总线网络结构

CAN总线已用于生活的各个方面，比如工厂生产线，汽车控制系统等，在汽车控制系统中CAN总线的作用就是将整车中各种不同的控制器连接起来，实现信息的可靠共享，并减少整车线束数量。

可以设想一种极端情况，如图2.1所示：

图2.1汽车CAN总线网络示意图

Fig.2.1CarCANbusnetworkdiagram

对于一般的CAN总线网络[4]，其网络结构图可以简化为图2所示

图2.2CAN总线网络拓扑结构图

Fig.2.2CANbusnetworktopologicalstructure

2.2CAN总线系统结构

CAN数据传输系统中每个节点的内部增加了一个CAN控制器，一个CAN收发器；每个节点外部连接了两条CAN数据总线[5]。

在系统中每个节点内部还装有一个数据传递终端。

（1）CAN控制器。

CAN控制器作用是接收控制单元中微处理器发出的数据，处理数据并传给CAN收发器。

同时CAN控制器也接收收发器收到的数据，处理数据并传给微处理器。

（2）CAN收发器。

CAN收发器是一个发送器和接收器的组合，它将CAN控制器提供的数据转化成电信号并通过数据总线发送出去，同时它也接收总线数据，并将数据传到CAN控制器。

CAN收发器电路图如图2.3所示

图2.3CAN收发器电路图

Fig.2.3CANtransceivercircuitdiagram

（3）数据传送终端。

数据传送终端实际是一个电阻器，作用是避免数据传输终了反射回来，产生反射波而使数据遭到破坏。

（4）CAN数据总线。

CAN数据总线是用于传输数据的双向数据线，分为CAN高（CAN_high）和低位（CAN_low）数据线。

数据没有指定接收器，数据通过数据总线发送给各控制单元[6]。

CAN总线结构如图2.4所

图2.4CAN总线结构图

Fig.2.4CANbusstructure

2.3CAN总线的特点

（1）多主控制

在总线空闲时，所有的单元都可开始发送消息（多主控制）。

最先访问总线的单元可获得发送权（CSMA/CA方式*1）。

多个单元同时开始发送时，发送高优先级ID消息的单元可获得发送权。

（2）消息的发送

在CAN协议中，所有的消息都以固定的格式发送。

总线空闲时，所有与总线相连的单元都可以开始发送新消息。

两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符（Identifier以下称为ID）决定优先级。

ID并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的优先级。

两个以上的单元同时开始发送消息时，对各消息ID的每个位进行逐个仲裁比较。

仲裁获胜（被判定为优先级最高）的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。

（3）系统的柔软性

与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息。

因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变。

（4）通信速度

根据整个网络的规模，可设定适合的通信速度。

在同一网络中，所有单元必须设定成统一的通信速度。

即使有一个单元的通信速度与其它的不一样，此单元也会输出错误信号，妨碍整个网络的通信。

不同网络间则可以有不同的通信速度。

（5）远程数据请求

可通过发送“遥控帧”请求其他单元发送数据。

（6）错误检测功能错误通知功能错误恢复功

所有的单元都可以检测错误（错误检测功能）。

检测出错误的单元会立即同时通知其他所有单元（错误通知功能）。

正在发送消息的单元一旦检测出错误，会强制结束当前的发送。

强制结束发送的单元会不断反复地重新发送此消息直到成功发送为止（错误恢复功能）。

（7）故障封闭

CAN可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误（如外部噪声等）还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）。

由此功能，当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。

（8）连接

CAN总线是可同时连接多个单元的总线。

可连接的单元总数理论上是没有限制的。

但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。

降低通信速度，可连接的单元数增加；提高通信速度，则可连接的单元数减少。

第三章CAN总线的通信方式

3.1CAN总线上的电平信号

总线空闲时，CAN_H和CAN_L上的电压为2.5V

在数据传输时，

显性电平（逻辑0）：

CAN_H3.5VCAN_L1.5V

隐性电平（逻辑1）：

CAN_H2.5VCAN_L2.5V

如图3.1所示为总线电平示意图

总线输出的差分电压

（3-1）

当隐性时，输出差分电压为

=2V

当显性时，输出差分电压为

=0V

3.2数据交换原理

CAN是一种基于广播的通讯机制，广播通讯依靠报文（Message）的传送机制来实现，因此CAN并未定义站及站地址，而仅仅定义了报文，这些报文依靠报文确认区（Identifier）来进行识别，一个消息报文确认区在一个网络中必须是唯一的，它不但描述了某一报文的意义，而且还定义了报文的优先级，当很多站都在访问总线时，优先级是很重要的，因此，CAN是通过报文的确认区来决定报文的优先级的[7]。

CAN使用地址访问的方法，使网络系统的配置变得非常灵活，用户很容易可以增加一个新的站到一个已经存在CAN网络里，而不用对已经存在的站进行任何硬件或软件上的修改，但必须此新增的站为完全的接收者，这样它将不会对网络上各节点的通讯产生影响。

每个节点的收发器都会接收总线上的数据，但是要检查判断此数据是否是所需要的数据，如果不是将忽略掉。

3.3实时数据传送

在实时处理系统中，通过网络交换紧急报文存在很大的不同：

一个迅速改变的值，如发动机负载必须频繁的进行传送且要求延迟比其它的值如发动机温度要小。

发送的报文都要和其它的不太紧急的报文进行优先级的比较，在系统设计中，报文的优先级体现在写入报文确认区的二进制值，这些值不能被动态的改变。

确认区中的值越小，其报文的优先级越高（也就是0比1的优先级高）。

3.4消息的帧格式（Frameformat）

通信是通过以下5种类型的帧进行的[8]。

• 数据帧

• 遥控帧

• 错误帧

• 过载帧

• 帧间隔

另外，数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。

标准格式有11个位的标识符（Identifier:

以下称ID），扩展格式有29个位的ID。

各种帧的用途如表1所示，

帧

帧用途

数据帧

用于发送单元向接收单元传送数据的帧。

遥控帧

用于接收单元向具有相同ID的发送单元请求数据的帧

错误帧

用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧

过载帧

用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧。

帧间隔

用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧

表1帧的种类及用途

3.4.1数据帧

数据帧由7个不同的位场组成：

帧起始（StartofFrame）、仲裁场（ArbitrationFrame）、控制场（ControlFrame）、数据场（DataFrame）、CRC场（CRCFrame）、应答场（ACKFrame）、帧结尾（EndofFrame）。

数据场的长度为0到8位。

报文的数据帧一般结构如图3.2所示。

图3.2数据帧格式

Fig.3.2dataframeformat

下面具体分析数据帧的每一个位场

1帧起始

帧起始（SOF）标志数据帧或远程帧的开始，仅由一个“显性”位组成。

只有在总线空闲时才允许节点开始发送（信号）。

所有节点必须同步于首先开始发送报文的节点的帧起始前沿。

2仲裁场

仲裁场由标识符和远程发送请求位（RTR位）组成。

RTR位在数据帧中为显性，在远程帧中为隐性。

③控制场

控制场由6个位组成，标准格式和扩展格式的控制场格式不同。

标准格式里的帧包括数据长度代码、IDE位（为显性位，见上文）及保留位r0。

扩展格式里的帧包括数据长度代码和两个保留位：

r1和r0。

其保留位必须发送为显性，但是接收器认可“显性”和“隐性”位的任何组合。

数据长度代码DLC，如表2所示

表2数据长度代码DLC

数据字节的数目

数据长度代码

DLC3

DLC2

DLC1

DLC0

数据长度代码指示了数据场里的字节数量。

其中：

d—“显性”，r—“隐性”，数据帧允许的数据字节数为{0，1,…7，8}。

其他的数值不允许使用。

④数据场

数据场由数据帧里的发送数据组成。

它可以为0~8个字节，每字节包含了8个位，首先发送最高有效位。

⑤循环冗余码CRC场

CRC场包括CRC序列（CRCSequence），其后是CRC界定符（CRCDelimiter）。

⑥应答场（ACKField）

应答场长度为2个位，包含应答间隙（ACKSlot）和应答界定符（ACKDelimiter）。

在ACK场（应答场）里，发送节点发送两个“隐性”位。

当接收器正确地接收到有效的报文，接收器就会在应答间隙（ACKSlot）期间向发送器发送一“显性”位以示应答。

⑦帧结尾（标准格式以及扩展格式）

每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定。

这个标志序列由7个“隐性”位组成。

3.4.2远程帧

作为接收器的节点，可以通过向相应的数据源节点发送远程帧激活该源节点，让该源节点把数据发送给接收器。

远程帧也有标准格式和扩展格式，而且都由6个不同的位场组成：

帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场、帧结尾。

与数据帧相反，远程帧的RTR位是“隐性”的。

它没有数据场，数据长度代码DLC的数值是不受制约的（可以标注为容许范围0~8里的任何数值），此数值是相应于数据帧的数据长度代码。

远程帧结构如图3.3所示。

图3.3远程帧结构

Fig.3.3Remoteframestructure

3.4.3错误帧

错误帧由两个不同的场组成，如图3.4所示。

第一个场是不同节点提供的错误标志（Error Flag）的叠加，第二个场是错误界定符。

为了能正确地终止错误帧，“错误认可”的节点要求总线至少有长度为3个位时间的总线空闲（如果“错误认可”的接收器有局部错误的话）。

因此，总线的载荷不应为100%。

图3.4错误帧结构

Fig.3.4Errorframestructure

①错误标志

有两种形式的错误标志：

激活错误标志和认可错误标志（有的文献译为：

“主动”和“被动”错误标志或“活动”和“认可” 错误标志）。

“激活错误”标志由6个连续的“显性”位组成。

“认可错误”标志由6个连续的“隐性”的位组成，除非被其他节点的“显性”位重写。

检测到错误条件的“错误激活”的节点通过发送“激活错误”标志指示错误。

错误标的格式破坏了从帧起始到CRC界定符的位填充规则（参见“编码”），或者破坏了ACK场或帧结尾场的固定格式。

所有其他的节点由此检测到错误条件，并与此同时开始发送错误标志。

所形成的“显性”位序列就是把各个节点发送的不同的错误标志叠加在一起的结果，这个序列的总长度最小为6个位，最大为12个位。

检测到错误条件的“错误认可”的节点通过发送“认可错误”标志指示错误，“错误认可”的节点等待6个相同极性的连续位，当这6个相同的位被检测到时，“认可错误”标志的发送就完成。

②错误界定符

错误界定符包括8个“隐性”的位。

错误标志传送了以后，每一个节点就发送一个“隐性”的位，并一直监视总线直到检测出一个“隐性”的位为止，然后就开始发送其余7个“隐性”位。

3.4.4过载帧

过载帧（Overload Frame）包括两个位场：

过载标志和过载界定符，其结构如图3.5所示。

图3.5过载帧结构

Fig.3.5Overloadframestructure

有三种过载的情况会引发过载标志的传送：

接收器的内部情况，需要延迟下一个数据帧和远程帧。

在间歇（Intermission）的第一和第二字节检测到一个“显性”位。

如果CAN节点在错误界定符或过载界定符的第8位（最后一位）采样到一个显性位，节点会发送一个过载帧。

该帧不是错误帧，错误计数器不会增加。

根据过载情况1而引发的过载帧只允许起始于所期望的间歇的第一个位时间，而根据情况2和情况3引发的过载帧应起始于所检测到“显性”位之后的位。

通常为了延时下一个数据帧或远程帧，两种过载帧均可产生。

①过载标志（Overload Flag）

过载标志由6个“显性”的位组成。

过载标志的所有形式和“激活错误”标志的一样。

过载标志的格式破坏了间歇场的固定格式。

因此，所有其他的节点都检测到过载条件并与此同时发出过载标志。

如果有的节点在间歇的第3个位期间检测到“显性”位，则这个位将解释为帧的起始。

②过载界定符（Overload Delimiter）过载界定符包括8个“隐性”的位。

过载界定符的形式和错误界定符的形式一样。

过载标志被传送后，节点就一直监视总线直到检测到一个从“显性”位到“隐性”位的跳变。

此时，总线上的每一个节点完成了过载标志的发送，并开始同时发送其余7个“隐性”位。

3.4.5帧间隔

数据帧（或远程帧）与先行帧的隔离是通过帧间隔实现的，无论此先行帧类型如何（数据帧、远程帧、错误帧、过载帧）。

所不同的是，过载帧与错误帧之前没有帧间空间，多个过载帧之间也不是由帧间隔隔离的。

帧间隔包括间歇、总线空闲的位场。

如果“错误认可”的节点已作为前一报文的发送器，则其帧间隔除了间歇、总线空闲外，还包括称作“挂起传送”（暂停发送）（Suspend Transmission）的位场。

对于不是“错误认可”的节点，或作为前一报文的接收器的节点。

对于作为前一报文发送器的“错误认可”的节点。

①间歇（Intermission）

间歇包括3个“隐性”的位。

间歇期间，所有的节点均不允许传送数据帧或远程帧，唯一要做的是标示一个过载条件。

如果CAN节点有一报文等待发送并且节点在间歇的第三位采集到一显性位，则此位被解释为帧的起始位，并从下一位开始发送报文的标识符首位，而不用首先发送帧的起始位或成为一接收器。

②总线空闲（BusIdle）

总线空闲的时间是任意的。

只要总线被认定为空闲，任何等待发送报文的节点就会访问总线。

在发送其他报文期间，有报文被挂起，对于这样的报文，其传送起始于间歇之后的第一个位。

总线上检测到的“显性”的位可被解释为帧的起始。

③挂起传送（Suspend Transmission）

“错误认可”的节点发送报文后，节点就在下一报文开始传送之前或总线空闲之前发出8个“隐性”的位跟随在间歇的后面。

如果与此同时另一节点开始发送报文（由另一节点引起），则此节点就作为这个报文的接收器。

3.5STM32的CAN总线接收与发送

3.5.1工作模式

bxCAN控制器有3个主要的工作模式：

初始化、正常和睡眠模式[9]。

①初始化模式

软件通过对CAN_MCR寄存器的INRQ位置1，来请求bxCAN进入初始化模式，然后等待硬件对CAN_MSR寄存器的INAK位置1来进行确认。

软件通过对CAN_MCR寄存器的INRQ位清0，来请求bxCAN退出初始化模式，当硬件对CAN_MSR寄存器的INAK位清0就确认了初始化模式的退出。

当bxCAN处于初始化模式时，报文的接收和发送都被禁止，并且CANTX引脚输出隐性位（高电平）。

初始化CAN控制器，软件必须设置CAN_BTR和CAN_MCR寄存器。

②正常模式

在初始化完成后，软件应该让硬件进入正常模式，同步CAN总线，以便正常接收和发送报文。

软件通过对INRQ位清0来请求从初始化模式进入正常模式，然后要等待硬件对INAK位清0来确认。

在跟C

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