描述

我學(xué)習(xí) CAN 已經(jīng)三周了，現(xiàn)在我已經(jīng)完成了一些申請(qǐng)來(lái)驗(yàn)證我的學(xué)習(xí)成果。在本教程中，您將學(xué)習(xí)如何使用 Arduino 實(shí)現(xiàn) CANBUS 通信。如果您有什么建議，歡迎留言。

什么是 CANBUS

關(guān)于 CAN

CAN（Controller Area Network）是一種可以實(shí)現(xiàn)分布式實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。它是為汽車行業(yè)開(kāi)發(fā)的，用兩線總線代替復(fù)雜的線束。

CAN 協(xié)議定義了 OSI 模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和部分物理層。

CAN 協(xié)議采用 ISO11898 和 ISO11519 進(jìn)行 ISO 標(biāo)準(zhǔn)化。ISO11898是CAN高速通信標(biāo)準(zhǔn)，通信速度為125kbps-1Mbps。ISO11519是CAN低速通信標(biāo)準(zhǔn)，通信速度小于125kbps。

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這里我們重點(diǎn)介紹高速CAN。

• ISO-11898 描述了信息如何在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備之間傳遞，并符合按層定義的開(kāi)放系統(tǒng)互連模型 (OSI)。通過(guò)物理介質(zhì)連接的設(shè)備之間的實(shí)際通信由模型的物理層定義。

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• 每個(gè)連接到總線的 CAN 單元都可以稱為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。所有 CAN 單元都連接到每端用 120 Ω 電阻端接的總線以形成網(wǎng)絡(luò)。總線由 CAN_H 和 CAN_L 線組成。CAN 控制器根據(jù)兩根電線上的功率電平差異確定總線電平。總線級(jí)別分為顯性和隱性級(jí)別，必須是其中之一。發(fā)送方通過(guò)在總線級(jí)別進(jìn)行更改將消息發(fā)送給接收方。當(dāng)在總線上執(zhí)行邏輯線“與”時(shí)，顯性電平為“0”，隱性電平為“1”。
• 在顯性狀態(tài)下，CAN_H的電壓約為3.5V，CAN_L的電壓約為1.5V。在隱性狀態(tài)下，兩條線的電壓都在2.5V左右。
• 信號(hào)是差分的，這就是 CAN 具有強(qiáng)大的抗噪能力和容錯(cuò)能力的原因。平衡的差分信號(hào)減少了噪聲耦合，并允許通過(guò)雙絞線電纜實(shí)現(xiàn)高信號(hào)速率。每條信號(hào)線中的電流相等，但方向相反，從而產(chǎn)生場(chǎng)消除效應(yīng)，這是低噪聲發(fā)射的關(guān)鍵。平衡差分接收器和雙絞線電纜的使用增強(qiáng)了 CAN 總線的共模抑制和高抗噪能力。

CAN收發(fā)器

CAN Transceiver 負(fù)責(zé)邏輯電平和物理信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。將邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分電平或?qū)⑽锢硇盘?hào)轉(zhuǎn)換為邏輯電平。

CAN控制器

CAN控制器是CAN的核心部件，實(shí)現(xiàn)了CAN協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，可以自動(dòng)解析CAN協(xié)議。

單片機(jī)

MCU負(fù)責(zé)功能電路和CAN控制器的控制。例如節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)初始化CAN控制器參數(shù)，通過(guò)CAN控制器讀取并發(fā)送CAN幀等。

關(guān)于 CAN 通訊

當(dāng)總線空閑時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)都可以開(kāi)始發(fā)送消息（多主機(jī)控制）。首先訪問(wèn)總線的節(jié)點(diǎn)獲得發(fā)送權(quán)（CSMA/CA 模式）。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始發(fā)送時(shí)，發(fā)送高優(yōu)先級(jí)ID消息的節(jié)點(diǎn)獲得發(fā)送權(quán)。

在 CAN 協(xié)議中，所有消息都以固定格式發(fā)送。當(dāng)總線空閑時(shí)，所有連接到總線的單元都可以開(kāi)始發(fā)送新消息。當(dāng)兩個(gè)以上的小區(qū)同時(shí)開(kāi)始發(fā)送消息時(shí)，根據(jù)標(biāo)識(shí)符確定優(yōu)先級(jí)。ID不代表發(fā)送的目的地址，而是代表消息訪問(wèn)總線的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)兩個(gè)以上的cell同時(shí)開(kāi)始發(fā)送消息時(shí)，免息ID的每一位都會(huì)被一一仲裁。仲裁獲勝的單元可以繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失敗的單元立即停止發(fā)送并接收工作。

CAN 總線是一種廣播型總線。這意味著所有節(jié)點(diǎn)都可以“聽(tīng)到”所有傳輸。所有節(jié)點(diǎn)總是會(huì)接收所有流量。CAN 硬件提供本地過(guò)濾，以便每個(gè)節(jié)點(diǎn)只對(duì)感興趣的消息做出反應(yīng)。

?框架

CAN 設(shè)備通過(guò) CAN 網(wǎng)絡(luò)以稱為幀的數(shù)據(jù)包形式發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN 有四種幀類型：

• 數(shù)據(jù)幀：包含用于傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的幀
• 遠(yuǎn)程幀：請(qǐng)求傳輸特定標(biāo)識(shí)符的幀
• 錯(cuò)誤幀：任何節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)發(fā)送的幀
• 過(guò)載幀：在數(shù)據(jù)或遠(yuǎn)程幀之間注入延遲的幀

數(shù)據(jù)框

有兩種類型的數(shù)據(jù)幀，標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的。

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圖中位域的含義是：

• SOF – 單個(gè)顯性幀開(kāi)始 (SOF) 位標(biāo)記消息的開(kāi)始，用于在空閑后同步總線上的節(jié)點(diǎn)。
• 標(biāo)識(shí)符- 標(biāo)準(zhǔn) CAN 11 位標(biāo)識(shí)符確定消息的優(yōu)先級(jí)。二進(jìn)制值越低，其優(yōu)先級(jí)越高。
• RTR – 單個(gè)遠(yuǎn)程傳輸請(qǐng)求 (RTR) 位
• IDE – 顯性單一標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展 (IDE) 位意味著正在傳輸沒(méi)有擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn) CAN 標(biāo)識(shí)符。
• R0 – 保留位（供未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)修訂可能使用）。
• DLC – 4 位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼 (DLC) 包含正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。
• 數(shù)據(jù)——最多可傳輸 64 位應(yīng)用數(shù)據(jù)。
• CRC – 16 位（15 位加上定界符）循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 包含用于錯(cuò)誤檢測(cè)的前面應(yīng)用數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和（傳輸?shù)奈粩?shù)）。
• ACK –ACK 是 2 位，一個(gè)是確認(rèn)位，第二個(gè)是分隔符。
• EOF——這個(gè)幀結(jié)束 (EOF)，7 位字段標(biāo)記 CAN 幀（消息）的結(jié)束并禁用位填充，在顯性時(shí)指示填充錯(cuò)誤。在正常操作過(guò)程中，當(dāng)連續(xù)出現(xiàn) 5 位相同邏輯電平時(shí)，會(huì)將相反邏輯電平的位填充到數(shù)據(jù)中。
• IFS——這個(gè) 7 位幀間空間 (IFS) 包含控制器將正確接收的幀移動(dòng)到消息緩沖區(qū)中的適當(dāng)位置所需的時(shí)間。

仲裁

在總線空閑狀態(tài)下，首先開(kāi)始發(fā)送消息的單元獲得發(fā)送權(quán)。當(dāng)多個(gè)單元同時(shí)開(kāi)始發(fā)送時(shí)，每個(gè)發(fā)送單元從仲裁段的第一位開(kāi)始。連續(xù)輸出顯性電平數(shù)最多的單元可以繼續(xù)發(fā)送。

速度和距離

CAN總線是同時(shí)連接多個(gè)單元的總線。理論上可以連接的單元總數(shù)沒(méi)有限制。然而，在實(shí)踐中，可以連接的單元數(shù)量受到總線上的時(shí)間延遲和電氣負(fù)載的限制。降低通訊速度，增加可連接的單元數(shù)，提高通訊速度，可連接的單元數(shù)減少。

通信距離與通信速度成反比，通信距離越遠(yuǎn)，通信速度越小。更長(zhǎng)的距離可以是1km或更長(zhǎng)，但速度小于40kps。

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硬件

Maduino Zero CAN-BUS 模塊是Makerfabs 開(kāi)發(fā)的CANbus 通訊工具，它基于Arduino，帶有CAN 控制器和CAN 收發(fā)器，創(chuàng)建一個(gè)即用型CAN-bus 端口。

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• MCP2515 是一款實(shí)現(xiàn) CAN 規(guī)范的獨(dú)立 CAN 控制器。它能夠發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)程幀。
• MAX3051 是 CAN 協(xié)議控制器和控制器局域網(wǎng) (CAN) 中總線物理線之間的接口。MAX3051為總線提供差分發(fā)送能力，為CAN控制器提供差分接收能力。

聯(lián)系

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用電線將 DHT11 模塊連接到 Maduino Zero CAN-BUS 模塊，用作支持 CAN 通信的儀器。同樣，將顯示器連接到模塊以接收數(shù)據(jù)并顯示。

Maduino Zero CANBUS與DHT11的連接：

Maduino Zero CANBUS -- DHT11
3v3 ------ VCC
GND ------ GND
D10 ------ DATA

Maduino Zero CANBUS與OLED的連接：

Maduino Zero CANBUS -- OLED
3v3 ------ VCC
GND ------ GND
SCL ------ SCL
SDA ------ SDA

使用 DB9 電纜連接兩個(gè) Maduino Zero CANBUS 模塊。

代碼

MAX3051完成差分電平到邏輯信號(hào)的轉(zhuǎn)換。MCP2515完成數(shù)據(jù)編解碼等CAN功能。MCU只需要初始化控制器和發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

• Github：https://github.com/Makerfabs/Maduino-CANbus-RS485...
• 安裝 Arduino 后，沒(méi)有包支持需要安裝的板子（Arduino 零）。
• 選擇工具 -> Board -> Board Manager，搜索“Arduino zero”并安裝“Arduino SAMD Boards”。
• 選擇 Tools -> Board -> Arduino Zero (Native USB Port)，選擇 Tools -> Port -> com…
• 從 GitHub 獲取程序后，需要確保所有文件都在項(xiàng)目目錄下，其中包含支持 CANBUS 的庫(kù)文件。
• 安裝 Adafruit 的 DHT 傳感器庫(kù)，用于驅(qū)動(dòng) DHT11 獲取溫度和濕度。
• 在代碼Test_DHT11.ino中使用不同的地址分別發(fā)送溫度和濕度。

CAN.sendMsgBuf(0x10, 0, stmp1.length(), stmp_send1);
delay(500);
CAN.sendMsgBuf(0x11, 0, stmp2.length(), stmp_send2);
delay(500);

“0x10”表示消息ID，“0”表示標(biāo)準(zhǔn)幀，“stmp1.length()”表示消息長(zhǎng)度，“stmp_send1”表示發(fā)送的數(shù)據(jù)。

• 在代碼Test_OLED.ino中，通過(guò)查詢接收 CANBUS 上的所有消息，并將所需信息顯示在 OLED 上。
• 將程序Maduino-CANbus-RS485/Test_DHT11_OLED/Test_DHT11/Test_DHT11.ino上傳到與傳感器相連的模塊，并將程序Maduino-CANbus RS485/Test_DHT11_OLED/Test_OLED/Test_OLED.ino 上傳到另一個(gè)與 OLED 相連的模塊。

節(jié)目

給兩個(gè)模塊上電，顯示屏上會(huì)顯示溫度和濕度。

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