单片机总线的作用自学单片机第十四篇话外：总线的作用|设计与开发|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

自学单片机第十四篇话外：总线的作用

细细数来，我们已经学习了十四篇了，从如何打开软件，到如今的总线输出，可以说在不断地向复杂的控制迈进，当然对于急于求成的同学来说，讲得多少有些细了，但技术就是这样，走的越快，反而学得越皮毛，即便你明白了更高深的一些技巧，可是基础总要打牢的，总之，慢慢来。我们又没有期中或者期末考试，也没有老师去逼着进行毕业设计，我们就是为了兴趣，自己学自己用，所以毋须太过急躁。当然，也不要把激情消耗得太厉害，还是要保持对单片机的热情的。不然，很难坚持下去。如今我们才仅仅是在单片机的路上，走了一俩个台阶，还有很长的路要走呢。

言归正转，我们一直在学总线，总线都可以来开什么，为什么要用总线的方法来控制。前边学了单点的操作，多点的操作，总线的操作，为什么说总线的操作就比较重要？

这要从单片机的控制上来说了，并不说总线控制或者总线方法就是比较重要的，只是说，我们应该熟练使用总线的方法进行操作，因为，接下来的很多功能都会用到总线，我们在操作时，会不断地去更改某一个端口的数据，或者对数据进行变换，如果每个端口都去重新定义一遍，不仅复杂，而且编程中还要不断地去查找自己对该端口的定义名称，写错后也十分难以查找错误。

而通过总线方法的调用或转换，就没有这个顾虑了，最多就是在注释中详细说明本步骤操作的原因和对象就好。我们在上一篇也介绍了很多的运算方法，这些方法，更加使得数据的变化方便快捷。

在以后我们涉及扩展芯片或功能时，总线就会成为数据传输的重中之重，尽管我们也会采用两线的串口，但是扩展芯片的数据更多还是用并口传输的。读取数据后需要进行相应的提取数据，这些操作，都需要有一定的基础。

当然，说了这么多，并不是说总线方式就是好的，不用它就不行，我们只是说它的用途很广，但是在某些场合，总线方式反而很累赘，这就要求我们依据需求来进行选择输出操作方法。比如我们就需要一个端口的改变，那么用定义端口的方法，就可以了，这样改变和操作就简单明了，或者后边讲到的，对多个不同区域的端口单独操作，使用定义的方法会比总线更加方便。当然这也是需要看操作的目的和方法的。

总之就是说，我们要熟练掌握总线的操作方法，对总线的认识要更加深刻，不能给你一个数据0x78，自己半天也写不出端口的状态，或者还不知道十六进制的计算方法，那就有些不好了，还是要慢慢提高的，如果自己对这些不熟悉，可以回去看看前面的文章，再自己写一写，给自己找些例子，练习一下，通过仿真，对自己的练习进行检验。注意实践才是正道。

你会还是不会，靠的是实践来说明的。不要以为单片机编程就是纸上谈兵，如果没有扎实的实践，一切就是无根之萍，总要飘走的。我这两篇没有进行演示和仿真，是因为前期需要准备的内容还是比较多的，就这还没有把单片机的基本知识搬出来细说呢。我们通过学习一点点的了解吧。

总之，多练。尤其是下载到硬件，这才是单片机学习的正确方式，仿真只是学习的手段，下载到硬件中才是真正的目的。仿真无法实现现实中的一些状况，例如接触不良，线束接错，电压不够，设备故障等等。只有通过现实的检查排除故障，才会真正地学会单片机。到后期会尽量多发关于硬件的测试。由于家里添了一个宝宝，所以时间就要交给她了。写的会比较不稳定。见谅了。

有什么问题或建议可以私信或留言，我会第一时间回复的。

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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。

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