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在30分钟或更短的时间内开发CAN |
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作者：Cypress半导体公司 Hassane El-Khoury |
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摘要：自从上世纪80年代引入CAN以来，在其规范和需求方面出现了巨大演变。由于其扩展能力，使得其在众多应用中得以广泛使用，从汽车到工业机器和工业自动化。随着其广泛使用，实施复杂性也在两个层面上相应增加：
* CAN控制器设计从基本控制器转向全CAN控制器，在某些情况下，甚至为扩展的全CAN控制器。
* CAN软件堆栈从汽车通信堆栈变为CANOpen，以及DeviceNet。
假定CAN仅是汽车系统中的单个组件，开发人员仅需面对尽可能少的挑战就能实现它，那么就能够将工作重点放在系统级功能上面，而不是纠缠于外围配置。在本文中，将研究CAN接口，讨论不同的实施、配置方式，以及调试接口以简化设计。
控制器区域网络（CAN）最早是由Robert Bosch引入的，用于处理不断增加的车辆功能和网络复杂性。在嵌入式系统开发的早期阶段，模块中包含单个MCU，可执行单个或多个简单功能，如通过ADC读取传感器电平信号并控制直流电机等。随着这些功能日益复杂，设计人员采用分布式模块架构，在同一PCB（印刷电路板）的2个或多个MCU中实现其功能，并使用I2C或SPI协议执行这些功能之间的通讯。对于前面的相同示例，综合模块则具有用于执行所有系统功能、诊断和故障保证的主MCU，同时另一MCU负责BLDC电机控制功能。以较低的成本采用广泛使用的通用MCU即可实现该目的。
在当前的车辆中，功能分布于车辆中而不仅仅是模块内，模块间的通信协议需要高的故障容差，，因而在汽车市场中设计并引入了CAN。 
图1 –CAN 介绍
到上世纪90 年代中，随着DeviceNet 和CANOpen 协议的引入，CAN 以及工业控制已在汽车之外的范围得到广泛应用。
受市场中这类需求的推动，很多MCU 供应商内部集成了CAN 控制器，用于推广这类市场。虽然在高层面上CAN 的功能看上去类似于I2C 或SPI，允许两个节点之间的通信，但在控制器层面上CAN 通信与他们存在本质不同，下面列出CAN 能提供的服务：
· CAN 通信基于消息，而不是基于地址。
· CAN 节点能够在总线上发送或请求消息。
· 复杂的错误处理机制。
· 使用CRC-15（循环冗余校验）保护，能够探测一行中出现的5 个损坏位。
由于是基于消息而不是基于地址，CAN 总线上的节点可拥有多条传输的消息，也就是说，制动器模块可能具有包含车辆速度信息的消息，包含传感器信息的消息（如轮速传感器），以及包含诊断信息的消息，后者具有最高的传输优先级。
首先考察节点中的消息优先级和消息ID 解码，人们或许认为CAN 会使CPU 产生高的负荷，从而阻止更多复杂功能的集成。这类问题是可以通过不同类型的CAN 控制器解释，如图2 所示。
图2 - 基本CAN 控制器和全CAN 控制器
· 基本CAN 控制器：在CAN 控制器硬件中实现了十分基本的过滤功能，减少了消息处理，具有较高的CPU 负荷。在基本CAN 控制器中，CPU 会从CAN 控制器收到多条中断信号，以便接收、确认和分析消息，也会从应用程序一侧收到多条中断信号，以便确定是否要根据所收到消息的ID 传输应答。基本CAN 控制器仅应在低波特率、低消息通信数量的情形下使用，从而使得CPU 能够处理额外的非通信任务。
· 全 CAN 控制器：提供了扩展的消息过滤功能，以及硬件消息分析功能，解放了CPU，使其无需再对每一接收到的消息做出回应。可对全CAN 控制器进行配置，仅当消息ID 已在控制器中设为接受时，才会中断CPU。全CAN 控制器还设置了多个消息对象，相当于邮箱，邮箱能够储存特定的消息信息，如收到的ID 和数据字节，以供CPU 检索。在该情形下，CPU 可在任何时间检索消息，但必须在更新所收到的相同消息并改写邮箱当前内容之前完成任务。这类情形在最终类型的CAN 控制器中得到了解决。
· 扩展的全CAN 控制器：通过提供用于接收消息的硬件FIFO，提供了额外层面的硬件实施功能。通过这类实施方案，在中断CPU 中断之前，可保存相同消息一个以上的情况，因而防止了高频率消息的丢失，通过该功能，CPU 甚至能够在较长的时间段内专注于主要的模块功能。
请注意，DeviceNet 将过滤判据扩展到了ID 字段之外，扩展到数据的前两个字节，在实施该协议时，必须使用全CAN 控制器或扩展的全CAN 控制器。
根据具体的消息结构，上述两种配置可共存于单个模块中，以便实现高的消息优先级，并改善CPU 对所收到消息的处理。例如，对于接收一条消息（如ID = 0x250）中实效保护信息以及另一消息（如ID = 0x3FF）中温度传感器信息的模块，可将第一个CAN 控制器配置为全CAN 控制器，并将第2 个配置为具有4 缓冲FIFO 的扩展全CAN 控制器：收到每条失效保护消息时，以及温度传感器消息时，CPU 被中断。在图3 中，给出了这类CAN 控制器的配置图，它具有一个可定制的虚拟CAN 控制器，能够快速实现复杂的消息处理，这三种类型的CAN 控制器可共存于其中：
· 消息5 基本CAN 邮箱。
· 消息0x250 全CAN 邮箱。
· 消息0x3FF 扩展的全CAN 邮箱。
图3 – PSoC Creator – CAN 控制器配置
除了其功能方面的优势外，CAN 还因其高的容错性而得到广泛应用。其比特率高达1Mbps、总线长度可达1000 米（在50Kbps 下），因而必须遵照CAN 比特时序，以便在电子噪音环境下工作，同时保持高水平的故障检测和校错特性。
为了确保高水平的容错性能，与CAN 一起引入了亚比特时序结构，能够实现更严格的控制，确保每一CAN 总线的正确总线状态。
一个单独的CAN 位由4 个段表示：
· Sync_Seg：用于同步总线上的各种节点。
· Prop_Seg：对物理延迟进行补偿（物理总线和内部CAN 节点上的传播延迟）。
· Phase_Seg1，Phase_Seg2：用于补偿相位边缘误差。在在同步过程中，会缩短或加长这些段。
仅具有3 个段的CAN 控制器也很常见，其中，Prop_Seg 添加到了Phase_Seg1 上。
在图4 中，显示了位时序表征，以及实现它所需要的所有参数：
图4 - 位时序表征
请注意，所有的CAN 位时序计算均基于时间量（TQ），它定义为固定的时间单位，由振荡器导出，取值介于8 和25 之间。按照时间方面的观点，1 个TQ 等效于1Mbps 总线速度下1 微秒位长度的1/25th 位或40 纳秒。
根据CAN 位时序的过度简化规则，可进行下述设置以管理4 比特时间段的值：
- Sync_Seg = 1TQ
- 1TQ ≤ Prop_Seg ≤ 8TQ
- 1TQ ≤ Phase_Seg1 ≤ 8TQ
- 2TQ ≤ Phase_Seg2 ≤ 8TQ
- 1TQ ≤ SJW ≤ MIN(Phase_Seg1，4)
- SJW：同步跳跃宽度，它定义为时间长度，可加长Phase_Seg1 并缩短Phase_Seg2。
上述关系会为每一包含的参数生成大量的可能值，要想成功实现可靠的CAN 通信，选择正确的组合至关重要。设计人员不仅必须考虑振荡器的精度、所涉及节点内的传播延迟，还需考虑必须与之建立通信的其他系统节点。
根据系统时钟、所需的波特率、以及可能要求的位样本点（如，在87.5%处要求的CANOpen 样本点），为CAN 设定位时序成为很多设计人员不愿意面对的挑战。这种复杂性导致很多新的嵌入式系统再次使用传统的MCU 甚至软件堆栈，而不是采用能够以更好方式处理整个系统要求的新产品。不幸的是，这类情形使得CAN 被归于嵌入式外围装置的“它能工作，但我不想接触它”类别下。
在图5 中，显示了CAN 的位时序结构示例，其中，对于正在工作的CAN，创建新的时序分析或更改已有节点结构的波特率不再是有危险的任务。通过提供所有指定并验证的参数组合，可实现可靠的CAN 时序，设计人员能够将重心放在模块更复杂的主要功能任务方面。
图5 - PSoC Creator – CAN 位时序结构
尽管它出现的时间已有十多年，但CAN 仍被认为是嵌入式设计中的复杂外围装置，尤其是研发领域更是如此。研发活动涉及系统配置的多次迭代，CAN 为整个系统中的一个部件。可将CAN 驱动和CAN 堆栈开发外包给专业公司，这类公司收取一定费用即可提供相应服务，某些公司在交付后更改和配置服务时还要另收费。近来，某些半导体公司（如上述示例中的Cypress）提供了多种弥补这部分不足的工具，使用这些工具，可进行快速的内部开发，更快地推向复杂嵌入式系统市场。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(11/20/2009) |
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