单片机外围模块漫谈之三，CAN总线

1980年，Bosch的工程师开始研究汽车上高速串行通信的问题，并在1986年发布了CAN(Controller Area Network)总线。CAN以其多主，高速(最高1Mbps)，抗干扰的特性被广泛应用汽车及各种工业环境。在此我们主要介绍一下CAN总线的特点，帧类型，以及应用中的注意事项。

1. CAN总线特点

1.1 多主控制

跟我们常用的RS485只有一个主机，从机只能等待主机的轮询不同，在CAN总线中，当任意一个节点监测到总线空闲时，就可以立即启动信息的发送，也就是每一个节点都可以当主机。当然，这马上会引起我们的担心。如同一个家庭每个人都当家做主，那还不乱了套吗？不急，我们来看一下。这个问题是如何被巧妙地解决的。

物理层 ，CAN采用差分总线。单片机引脚的逻辑电平0，被CAN收发器(PHY)转换为显性电平(Dominant),逻辑电平1被转换为隐性电平(Reccesive)。总线上执行的是"线与"逻辑，只要有一个节点输出显性电平，那么总线上就是显性电平。

仲裁(Arbitration) ,CAN的发送总是以SOF(Start Of Frame)起始，紧跟器后是ID。在发送ID的同时，节点监听总线上的显隐状态，当监听到的状态与自己发送的不一致时，此节点将停止发送，进入只收模式。如下图所示，每一帧消息所具有的ID决定了此消息的优先级，发送最高优先级消息的节点获得总线最后的控制权，得以最终完整的发送自己的消息。

接收滤波(Filter) 。一个挂在总线上的节点可以监听到所有的消息(Message)，但通常我们只对其中某些消息感兴趣，这时怎么办呢？CAN模块一般会提供接收滤波功能(Filter)。通过设置滤波寄存器，我们可以达到接收消息时，比对ID所有位，也可以只比对ID某些位，从而达到只接收ID与自己完全相同的消息，或接收ID与自己部分相同的消息的目的。利用这种机制可以给节点编组，给组成员群发消息。

1.2 速度快，距离远

CAN总线可以达到1Mbps的速率。总线速度随着传输距离增加而下降，下面是一些典型速率。在一个数据帧内可以传送8个字节的数据。

1000kbps 40m

500kbps 130m

100kbps 620m

50kbps 1300m

5kbps 10000m

2012年，Bosch又发布了CANFD(CAN with Flexible Data-rate),最高速率可以达到10Mbps,在一个数据帧内可以传送64字节的数据。2015 年 ，国际标准化组织（ISO）正式发布支持CAN FD的11898-1协议。

2. 帧类型

CAN协议很简洁，只包含4种帧类型。

数据帧(Data Frame) ，用来把数据从发送节点传送至接收节点。

远程帧(Remote Frame) ，一个节点用来请求其它节点发送数据。一个节点发送远程帧时会把Arbitration Filed最后一位RTR(置1)，具有相同ID的节点会把数据发送到总线上。

错误帧(Error Frame) ，当一个节点检测到错误时会向总线发出错误帧，以通知其它节点。

过载帧(Overload Frame) ，用来在数据帧或远程帧之间插入延时。

帧间隔(Interframe Space)， 不是一种帧类型。它是帧之间的间隙，由多个连续的隐性电平构成。

在编程时我们直接用到的就是数据帧和远程帧。软件编程比较简单，需要注意的是一般需要设置寄存器中的初始化请求位(Initialization request)，使模块进入初始化状态，才能开始进行CAN模块的各种配置，初始化完成后退出初始化状态，进入运行状态。

3. CAN总线应用注意事项

3.1 终端匹配电阻

在CAN总线的两端要用120欧的电阻端接进行阻抗匹配，因为CAN总线长度一般会比较长，传输的信号速度快，特别是信号的边沿跳变部分频率很高。

传输线效应 平常我们总是认为电信号从一个引脚发出，通过导线，瞬间就会到达接收引脚，导线上的电压处处是相等的。但是当信号的频率很高，或者导线特别长，总之导线的长度接近传导信号波长的1/10后，我们就需要转变一下我们的观念，此时信号的传输主要受电缆特性阻抗的影响。

电缆特性阻抗 = 信号电场强度(伏特/米) / 磁场强度(安培/米)

电缆的特性阻抗与电缆的材质，粗细，线缆之间的距离有关，而与电缆的长度无关。电缆的特性阻抗还和信号的频率有关，但是当频率增加到一定数值时，特性阻抗不再变化。常用的带屏蔽双绞线的特性阻抗是120欧。

信号在阻抗不连续处会产生反射，所以要保持电缆阻抗的连续性，而且线缆终点需要用等于电缆特性阻抗的电阻进行端接，以消耗掉传输至端点的信号，否则信号会反射回去和后续发出的信号产生叠加，引起错误。

频率与波长对应关系

150K 2000m

500K 600m

1M 300m

10M 30m

端接电阻的另一个作用是可以使CAN总线从显性状态快速回到隐性状态。因为在显性状态下，两条线缆CAN_H, CAN_L之间的寄生电容会被充电，如果没有一个放电回路，总线不能快速回到隐性状态。

3.2 EMC防护

CAN常常工作在强干扰的工业环境中，采用屏蔽双绞线会极大的提升EMC防护性能。同时如果数字电路部分和CAN收发器之间用高速光耦隔离开，并且对两部分采用完全隔离的电源供电，那么可以把总线上的干扰最大限度地隔离在外部。

需要注意的是屏蔽层只能在一点接入大地。如果在多个点接地，那么通过大地会形成电流环路，反而会引入噪声。

3.3 时钟容差( Oscillator Tolerance)

总线的速度越高，需要的时钟精度越高。一般在低于125kpbs时可以用低成本的陶瓷震荡器(ceramic resonators)，更高的速度下建议使用晶体振荡器(Quartz,or Crystal Oscilators)。

3.4 CAN模块死机现象

CAN模块内部有监控电路，总线上的异常，如短路等，会引起错误计数器增长。TEC(Transmit Error Counter), REC(Receive Error Counter)。当发送错误TEC计数超过255后，CAN模块进入BUS-OFF模式，此节点不能发送也不能接收。这样做的好处是可以避免由个别模块的问题引起整个总线不能工作。

芯片一般会提供两种恢复机制：自动和手动模式。比如在STM32单片机中，如果ABOM位设置为1，CAN模块将不断尝试自动恢复。如果ABOM=0，则需要程序进入CAN初始化模式，重新配置后，再退出初始化进入正常工作模式。

由于CAN总线非常可靠，不易出错，所以在测试阶段建议人为制造一些总线错误，比如短路，断路，强干扰之类，看程序是否能从异常状态下恢复。

5分钟了解单片机数据、地址、控制总线结构

一、总线概述

计算机系统是以微处理器为核心的，各器件要与微处理器相连，且必须协调工作，所以在微处理机中引入了总线的概念，各器件共同享用总线，任何时候只能有一个器件发送数据(可以有多个器件同时接收数据) 。

计算机的总线分为控制总线、地址总线和数据总线等三种。而数据总线用于传送数据，控制总线用于传送控制信号， 地址总线则用于选择存储单元或外设。

二、单片机的三总线结构

51系列单片机具有完善的总线接口时序，可以扩展控制对象，其直接寻址能力达到64k( 2的16次方) 。在总线模式下，不同的对象共享总线，独立编址、分时复用总线，CPU 通过地址选择访问的对象，完成与各对象之间的信息传递。

单片机三总线扩展示意如图1 所示。

1、数据总线

51 单片机的数据总线为P0 口，P0 口为双向数据通道，CPU 从P0 口送出和读回数据。

2、地址总线

51 系列单片机的地址总线为16 位。

为了节约芯片引脚，采用P0 口复用方式，除了作为数据总线外，在ALE 信号时序匹配下，通过外置的数据锁存器，在总线访问前半周期从P0口送出低8位地址，后半周期从P0 口送出8 位数据。

高8位地址则通过P2 口送出。

3、控制总线

51 系列单片机的控制总线包括读控制信号P3.7 和写控制信号P3.6 等，二者分别作为总线模式下数据读和数据写的使能信号。

三、单片机总线时序分析

51 单片机总线时序如图2 所示。

从图2 中可以看出，完成一次总线( 读写) 操作周期为T，P0 口分时复用，在T0 期间，P0 口送出低8 位地址，在ALE 的下降沿完成数据锁存，送出低8位地址信号。在T1 期间，P0 口作为数据总线使用，送出或读入数据，数据的读写操作在读、写控制信号的低电平期间完成。

需要注意的是，在控制信号( 读、写信号) 有效期间，P2 口送出高8位地址，配合数据锁存器输出的低8 位地址，实现16 位地址总线，即64kB 范围的内的寻址。

由于CPU不可能同时执行读和写操作，所以读、写信号不可能同时有效。

四、常见单片机编址电路

1、简单地址扩展

51 单片机的P2 口可以直接作为高8位地址总线使用，在一些简单系统电路中，常使用P2口直接编址驱动。

下面以使用数据缓冲器74LS273 驱动数码显示为例，分析P2 口编址驱动的静态数码显示电路的设计。

一位LED 数码显示单元电路如图3 所示。

WR 与A8( P2.0) 相或提供74LS273的时钟信号，当执行“MOVX @DPTR，A”指令时，地址信息由DPTR 寄存器确定，会出现有效的写信号WR，只有当地址A8 为满足“0”时，写信号才可以作为74LS273 的时钟信号输入，完成数据锁存。

P2 口为A8～A15 的8 位地址线，很容易扩展到8 只LED 数码管，WR 信号分别与A8～A15 按或关系连接，每位地址线均为低电平有效，即可实现8 个有效地址。

该方案电路简单，但有效地址数太少，不适用于复杂系统设计。

2、低8 位地址锁存

通常的设计电路是使用8D 锁存器74LS373 实现地址锁存，74HC573 与之逻辑功能相同，只是引脚布局不一样，使用74HC573 布线更容易。

74LS373 真值表如图4所示。

在输出允许OE 为L、控制使能LE 为H 时，输出为跟随状态;OE 为L、LE 为L 时，输出为保持状态。

地址锁存电路如图5 所示。OE 接地，LE 接单片机的ALE脚将产生满足时序的低8 位地址信号。

执行以下三条指令会得到如图6所示的时序图。

MOV DPTR，# 0FF55H;　低8 位地址为55H

MOV A，# 0AAH;　待发送数据0AAH→A( 55H 取反)

MOVX，@DPTR，A;　A 中的0AAH送地址为0FF55H 的对象中会。

从图6 中可以看出，P0 口先送55H，在ALE 下降沿实现地址锁存，随后送出数据0AAH，在WR 有效( 低电平) 期间锁存器输出低8 位地址55H，P0 口送出数据0AAH。

3、带译码器的复杂地址接口电路

理论上高8 位地址线可以产生256 个有效地址，如何实现地址“扩展”呢? 地址扩展准确描述是地址译码，例如3 根地址线可以译码成8 个地址，4根译码成16 个有效地址。这里选择3-8 译码器实现地址译码，电路图以及对应的编址如表1 所示。

五、单片机总线编址电路实例

总线扩展接口的单片机系统，包括外部32k RAM 扩展、LCD1602 接口、输入输出口。

D0～D7 接数据总线P0 口，地址线A0～A14接单片机地址总线低15 位，单片机地址线A15 接RAM 片选信号，低电平有效，这样RAM 地址分配从0000H 到7FFFH，与74138 译码地址不冲突。

LCD1602 接口电路如图9 所示。

RS、RW 分别接A12、A13，使能信号编址为Y7，这样LCD 的四个驱动地址( 数据读写和命令读写) 为0CFFFH 到0FFFFH ( 无关位为1) 或者8700H 到0B700H( 无关位为0)。

有些时候单片机引脚不够用，还要进行扩展，输入口扩展电路如图10 所示。

利用74HC573( 74LS373) 的高阻态功能，将其输出Q0～Q7 接P0 口，在满足总线地址读操作中，可以把输入InPORT的数据读入单片机的累加器，地址为0F8FFH 或8000H。

输出口扩展电路如图11 所示。

利用74LS273 数据锁存功能，在满足总线地址写操作中，可以把单片机累加器里的数据写入273 锁存输出，地址为0F8FFH 或8000H。由于所用控制总线不同，可以和输入共用地址。

六、结束语

总线扩展是设计单片机控制电路必须掌握的技术，大量的特殊功能IC都支持总线接口， 如ADC0809，TLC7528，DDS 器件AD9851 等。

总线接口的要点就是在严格的控制时序下，总线被分时复用，以实现复杂系统设计。

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