ZYNQ学习之路7.CAN总线学习

CAN总线是控制器局域网(Controller Area Network)的简称，是国际上应用最广泛的现场总线之一，CAN总线协议已成为汽车控制系统和嵌入式工业局域网的标准总线。CAN总线有很多优秀的特点，比如：传输速度最高达1Mbps，通信距离最远到10Km，无损位仲裁机制，多主结构，理论上挂载到总线上的设备没有数量限制。

因此掌握CAN总线协议是很重要的，本文简要介绍CAN总线协议，以Linux驱动CAN网络为重点介绍。

一. CAN总线的物理特性

1.1 CAN总线的网络结构

CAN总线有CAN_H和CAN_L两根线组成，线上传输差分信号，为了避免信号的反射和不连续，需要在总线的两个端点接120欧姆电阻，不可不接或单接，因为双绞线的特性阻抗为120欧姆，在终端模拟无限远的传输线。CAN网络一般采用"T"型连接，如下图1-1所示，在波特率为1Mbps的情况下，分支长度最好不要超过0.3m。

图1-1: CAN总线T型网络结构

当然也可采用星型拓扑结构，如图1-2所示：

图1-2: CAN总线星型网络结构

如果图中节点采用等长接线连接，可以不使用CAN集线器设备，调节每个节点的终端电阻即可实现组网。终端电阻R=N*60Ω，N是分支节点的个数。注意网络中心不能加任何电阻。

在实际的应用中，我们几乎无法做到等长，在T型网络中也很难做到支线较短的情况，这个时候我们就需要使用CAN集线器来进行分支，如图1-3所示。

图1-3: 使用集线器的CAN网络

集线器的使用可以使布线灵活，可根据需要进行任意分支，减少了约束条件。

1.2 CAN信号

CAN报文传送的位流信号采用非归零码(NZR)编码，也就是一个完整的电平要么是显性要么是隐性，在“隐性”状态下，CAN_H和CAN_L都是平均电压电平，Vdiff近似为零，在“显性”状态下，以大于最小阈值的差分电压表示。CAN电平标准有两个，IOS11898和IOS11519，两者的差别在于电平特性的不同，如图1-4所示：

图1-4: CAN电平标准

CAN总线的通信距离与波特率成反比，一般的工程中比较常用的500kbps，CAN总线中任意两个节点的最大传输距离与速率如下表所示：

波特率/kbps	1000	500	250	125	100	50	20	10	5
最大距离/m	40	130	270	530	620	1300	3300	6700	10000

1.3 CAN控制器与收发器

CAN控制器和CAN收发器是实现CAN网络物理层和数据链路层所必备的组件，其中CAN控制器是将欲发送的信息(报文)转换成符合CAN规范的CAN帧，通过CAN收发器在CAN总线上交换信息。

CAN控制器分为两类：独立的控制器芯片和集成在微控制器中的外设。ZYNQ7000中集成了CAN控制器。

CAN控制器原理框图如图1-5所示：

图1-5: CAN控制器原理

CAN核心模块用于将串行接收的数据转换为并行数据，发送则相反。验收滤波器根据用户的设置过滤掉不需要接收的报文。

CAN收发器是CAN控制器与物理总线之间的接口，用于将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，将二进制码流转换为差分信号发送，将差分信号转换为二进制码流接收。ZTurn board上使用的CAN收发器是TJA1050，电平转换示意图如图1-6所示：

图1-6: CAN收发器转换电平示意图

二. CAN总线协议

CAN总线是一种广播类型的总线，在总线上连接的所有节点都可以监听总线上传输的数据。CAN总线的控制器提供了过滤功能，接收信息时只保留与自己相关的信息。

2.1 总线仲裁

只要总线处于空闲状态，总线上的任何节点都可以发送报文，如果两个或两个以上的节点开始发送报文，那么就会存在总线冲突的可能。CAN使用了标识符的逐位仲裁方法，在发送数据的同时监控总线电平，如果电平相同，则这个单元可以继续发送。如果不同则失去仲裁退出发送状态，如果出现不匹配的位不是在总裁期间则产生错误事件。

图2-1: CAN总线仲裁

2.2 帧结构

CAN总线传输的基本单位是CAN帧，CAN的通信帧分为5中类型，分别是数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。

数据帧是节点之间用来收发数据，是使用最多的帧类型；远程帧用来接收节点向发送节点接收数据；错误帧是某个节点发送帧错误来向其他节点通知的帧；过载帧是接收节点用来向发送节点告知自身接收能力的帧；帧间隔是用来将数据帧、远程帧与前面帧隔离的帧。

数据帧根据仲裁域格式的不同，分为标准帧(CAN2.0 A)和扩展帧(CAN2.0 B),如图2-2所示：

图2-2: 数据帧帧结构

其中SRR为"替代远程请求位"，IDE为"扩展标识符位",RTR为"远程传输请求位",CRC为"循环冗余校验",ACK为应答。

从图2-2可以看出，基本帧的格式可以分为仲裁段，数据段，CRC段和ACK段。

远程帧与数据帧非常相似，只是远程帧没有数据域，一个远程帧如图2-3所示：

图2-3: CAN远程帧

远程帧分为6个段，也分为标准帧和扩展帧，且RTR位为1(隐性电平)，远程帧与数据帧的差别如下表所示：

比较项	数据帧	远程帧
ID	发送节点的ID	被请求发送节点的ID
SRR	0(显性电平)	1(隐性电平)
RTR	0(显性电平)	1(隐性电平)
DLC	发送数据长度	请求的数据长度
是否有数据段	是	否
CRC校验范围	帧起始+仲裁段+控制段+数据段	帧起始+仲裁段+控制段

三. ZYNQ使用CAN

3.1 构建硬件系统

使用ZturnBoard的模板工程，在此基础上添加CAN0外设，引脚为MIO14, MIO15.时钟频率默认即可，编译综合之后生成fsbl文件，制作SD卡启动镜像。

配置内核，将CAN的驱动编译进内核：

<*>Networking support --->
    <*>CAN bus subsystem support --->
        CAN device Drivers --->
        <*>Xilinx CAN

图3-1: Linux内核添加CAN驱动

修改设备树文件，添加CAN0节点。ZturnBoard开发板提供了设备树zynq-zturn.dts文件，该文件引用了zynq-7000.dts文件，该文件包含了PS外设所有的设备树描述节点，CAN0的描述信息如下：

can0: [e-mail] {
    compatible = "xlnx,zynq-can-1.0";
    status = "disabled";
    clocks = <&clkc 19>, <&clkc 36>;
    clock-names = "can_clk", "pclk";
    reg = <0xe0008000 0x1000>;
    interrupts = <0 28 4>;
    interrupt-parent = <&intc>;
    tx-fifo-depth = <0x40>;
    rx-fifo-depth = <0x40>;
};

所以在zynt-zturn.dts文件中添加以下描述即可：

&can0 {
	status = "okay";
};

准备好以上的文件之后，启动Linux系统。

3.2 Linux系统中使用CAN网络

在Linux系统中，CAN总线接口设备作为网络设备被系统进行统一管理，本节介绍控制台下CAN总线的使用。

Linux系统启动之后，终端输入ifconfig -a后能看到网络设备中增加了can0:

图3-2: can0网络设备信息

为了使用CAN，需要下载CAN的工具包，将canutils_install目录复制到开发板，libskt_install文件夹中的libsocketcan.so.2.2.0复制到开发板的lib目录下，并建立软链接:ln -s libsocketcan.so.2.2.0 libsocketcan.so.2;

在发行版Linux中可以使用以下一些命令：

1. 设置can0的波特率，这里设置为100kbps:ip link set can0 type can bitrate 100000
2. 设置完成后可以通过以下命令查询can0设备的参数:ip -details link show can0
3. 当设置完成后，可以使用以下命令使能can0设备：ifconfig can0 up
4. 使用以下命令关闭can0设备：ifconfig can0 down
5. 在设备工作中，可以使用下面的命令来查询工作状态：ip -d -s link show can0
6. 设置can0为回环模式，自发自收: ip link set can0 up type can loopback on

在ramdisk文件系统中，复制canutils_install到系统目录中，进入canutils_install目录，使用sbin目录下的工具:

1. 设置can0的波特率:./canconfig can0 bitrate 100000
2. 启动can0:./canconfig can0 start
3. 关闭can0: ./canconfig can0 stop
4. 设置回环模式: ./canconfig can0 ctrlmode loopback on
5. 发送can数据: ./cansend can0 -i 0x14
6. 接收can数据: ./candump can0

3.3 CAN网络应用程序开发

Linux系统将CAN设备作为网络设备进行管理，提供了SocketCAN接口，使得CAN总线通信可以像以太网一样，应用程序开发接口更加通用，也更灵活。

(1)初始化

SocketCAN中大部分的数据结构和函数定义在linux/can.h中，CAN总线套接字的创建采用标准的网络套接字来完成。

int s, nbytes;
struct sockaddr_can addr;
struct ifreq ifr;
struct can_frame frame[2] = {{0}};
s = socket(PF_CAN, SOCK_RAW, CAN_RAW);//create CAN socket
strcpy(ifr.ifr_name, "can0");
ioctl(s, SIOCGIFINDEX, &ifr);	//can0 device
addr.can_family = AF_CAN;
addr.can_ifindex = ifr.ifr_ifindex;
bind(s, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)); //bind socket to can0

(2)数据发送

CAN总线每次接收数据都是以can_frame为单位，该结构体定义如下：

struct canfd_frame {
    canid_t can_id;  /* 32 bit CAN_ID + EFF/RTR/ERR flags */
    __u8    len;     /* frame payload length in byte */
    __u8    flags;   /* additional flags for CAN FD */
    __u8    __res0;  /* reserved / padding */
    __u8    __res1;  /* reserved / padding */
    __u8    data[CANFD_MAX_DLEN] __attribute__((aligned(8)));
};

can_id为帧的标识符，如果发送的是标准帧，就使用can_id的低11位；如果为扩展帧，就是用0~28位。can_id的低29,30,31位是帧的标识位，用来定义帧的类型，如下所示：

/* special address description flags for the CAN_ID */
#define CAN_EFF_FLAG 0x80000000U /* EFF/SFF is set in the MSB */
#define CAN_RTR_FLAG 0x40000000U /* remote transmission request */
#define CAN_ERR_FLAG 0x20000000U /* error message frame */

数据发送使用write函数实现，例如：发送数据帧标识符为0x123，包含单个字节0xAB的数据，发送方法如下：

struct can_frame frame;
frame.can_id = 0x123;
frame.can_dlc = 1;
frame.data[0] = 0xAB;
int nbytes = write(s, &frame, sizeof(frame));
if(nbytes != sizeof(frame))
printf("Error\n");

如果发送的是远程帧，则frame.can_id = CAN_RTR_FLAG | 0x123

(3)数据接收

数据接收使用read函数来完成，实现如下：

struct can_frame frame;
int nbytes = read(s, &frame, sizeof(frame))

(4)错误处理

当接收到数据帧，可以通过判断can_id中的CAN_ERR_FLAG位来判断接收的帧是否为错误帧，如果为错误帧，可以通过can_id中的其它位来判断具体的错误原因。

(5)过滤设置

通过设置过滤规则，可以过滤掉不需要接收的数据。过滤规则使用can_filter结构体来实现，定义如下：

struct can_filter {
    canid_t can_id;
    canid_t can_mask;
};

接收到的数据帧的can_id & can_mask == can_filter .can_id & can_filter .can_mask则接收。

(6)回环功能

在默认情况下，本地回环功能是开启的，可以使用下面的方法关闭/开启:

int loopback = 0;//0:关闭，1:开启
setsockopt(s_s,SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_LOOPBACK, &loopback, sizeof(loopback));

在本地回环功能开启的情况下，所有的发送的帧都会被回环到与CAN总线接口对应的套接字上。默认情况下，发送CAN报文不想接收自己发送的报文，因此发送套接字上的回环功能是关闭的，打开这一功能可以使用如下方法：

int ro = 1;//0:关闭，1:开启
setsockopt(s_s, SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_RECV_OWN_MSGS, &ro, sizeof(ro));

3.4 Linux系统中CAN接口应用程序示例：

首先使用两块ZturnBoard开发板，使用连根导线连接CAN的H和L两个端点，复制libsocketcan.so.2.2.0到开发板并建立软链接，设置两个开发板的can0波特率一致，启动can0。

can发送程序：

#include "unistd.h"
#include "net/if.h"
#include "sys/ioctl.h"
#include "linux/can/raw.h"
#include "linux/can.h"
#include "sys/socket.h"
#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>

using namespace std;

int main()
{
	cout<<"test for can socket send!"<<endl;

	int s, nbytes;
	struct sockaddr_can addr;
	struct ifreq ifr;
	struct can_frame frame[2];
	s = socket(PF_CAN, SOCK_RAW, CAN_RAW);//create CAN socket
	strcpy(ifr.ifr_name, "can0");
	ioctl(s, SIOCGIFINDEX, &ifr);	//can0 device
	addr.can_family = AF_CAN;
	addr.can_ifindex = ifr.ifr_ifindex;
	bind(s, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));//bind socket to can0

	//disable filter
	setsockopt(s, SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_FILTER, NULL, 0);
	//two frame
	frame[0].can_id = 0x11;
	frame[0].can_dlc = 1;
	frame[0].data[0] = 'A';
	frame[1].can_id = 0x22;
	frame[1].can_dlc = 1;
	frame[1].data[0] = 'B';
	for(int i = 0; i<10; i++)
	{
        cout<<"send can frame"<<endl;
        nbytes = write(s, &frame[0], sizeof(frame[0]));//send frame[0]
        if(nbytes != sizeof(frame[0]))
        {
            cout<<"Send error frame[0]"<<endl;
        }
        sleep(1);//wait 1s
        nbytes = write(s, &frame[1], sizeof(frame[1]));//send frame[0]
        if(nbytes != sizeof(frame[1]))
        {
            cout<<"Send error frame[1]"<<endl;
        }
        sleep(1);//wait 1s
	}
	close(s);
	cout<<"send can frame over!!!"<<endl;

	return 0;
}

can接收程序:

#include "unistd.h"
#include "net/if.h"
#include "sys/ioctl.h"
#include "linux/can/raw.h"
#include "linux/can.h"
#include "sys/socket.h"
#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>

using namespace std;

int main()
{
	cout<<"test for can socket!"<<endl;

	int s, nbytes;
	struct sockaddr_can addr;
	struct ifreq ifr;
	//receive frame which id==0x11
	struct can_filter rfilter;
	struct can_frame frame;
	s = socket(PF_CAN, SOCK_RAW, CAN_RAW);
	strcpy(ifr.ifr_name, "can0");
	ioctl(s, SIOCGIFINDEX, &ifr);
	addr.can_family = AF_CAN;
	addr.can_ifindex = ifr.ifr_ifindex;
	bind(s, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));

	rfilter.can_id = 0x11;
	rfilter.can_mask = CAN_SFF_MASK;
	setsockopt(s, SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_FILTER, &rfilter, sizeof(rfilter));
	while(1)
	{
        nbytes = read(s, &frame, sizeof(frame));
        if(nbytes > 0)
        {
        printf("ID=0x%0x DLC=%d data[0]=0x%x\n", frame.can_id,
        	frame.can_dlc,frame.data[0]);
        }
	}

	return 0;
}

分别再两个开饭中运行两个程序，在接收端可以看到只接收了地址ID=0x11的数据帧。

图3-3: CAN发送与接收测试

四 总结

本文详细介绍了CAN总线的原理以及在Linux系统中的使用，在实验过程中需要注意动态链接库的使用以及CAN的设置，确保数据链接正常，然后再调试软件部分，实验并不难，仅在于学习如何使用CAN网络。

 

参考资料

[1]. CAN总线要点

[2]. CAN总线(一)

[3].Linux CAN编程详解