CAN 应用编程基础-I.MX6U嵌入式Linux C应用编程学习笔记基于正点原子阿尔法开发板
CAN 应用编程基础
CAN 基础知识
什么是 CAN？
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车载网络构想图
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概述CAN协议
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CAN是Controller Area Network的缩写，中文称为控制器局域网络
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它是一种ISO国际标准化的串行通信协议
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CAN总线的起源
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最初由德国电气商博世公司开发
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开发动机是解决现代汽车中电子控制系统之间的通讯问题，减少信号线的数量
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通过设计一个单一的网络总线，所有外围器件可以连接到该总线上
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汽车工业中的应用
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现代汽车对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求推动了各种电子控制系统的发展
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电子控制系统包括发动机管理、变速箱控制、汽车仪表、空调、车门控制、灯光控制、气囊控制、转向控制、胎压监测、制动系统、雷达、自适应巡航、电子防盗系统等
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随着电子控制系统的增加，系统之间通信所需的数据类型和可靠性要求不同，多条总线结构和线束数量随之增加
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CAN协议的发展
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为适应减少线束数量和实现大量数据高速通信的需求，博世公司在1986年开发了面向汽车的CAN通信协议
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此后，CAN通过ISO11898和ISO11519进行了标准化
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在欧洲，CAN已成为汽车网络的标准协议，并成为应用最广泛的现场总线之一
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CAN的技术特点
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CAN是一种多主方式的串行通讯总线
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设计规范要求高的位速率、高抗电磁干扰性，并且能够检测出任何产生的错误
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经过几十年的发展，CAN的高性能、高可靠性和高实时性已被广泛认可
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CAN的应用领域
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被广泛应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等领域
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以汽车电子为例，车上的空调、车门、发动机、大量传感器等部件和模块通过CAN总线连接，形成一个网络
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CAN 的特点
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多主控制
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所有单元在总线空闲时都可以开始发送消息
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最先访问总线的单元获得发送权（采用CSMA/CA方式）
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多个单元同时发送时，发送高优先级ID消息的单元获得发送权
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消息发送
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所有消息以固定格式发送
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总线空闲时，所有连接单元可以开始发送新消息
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根据消息ID决定优先级，ID表示消息优先级而非目的地址
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通过逐位仲裁比较ID，仲裁获胜的单元继续发送，失败的单元停止发送并转为接收
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系统灵活性
- 连接单元没有“地址”信息，增加单元时不需要改变其他单元的软硬件及应用层
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通信速度
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根据网络规模设定合适的通信速度
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同一网络中所有单元必须使用统一的通信速度
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不同网络间可以有不同的通信速度
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远程数据请求
- 通过发送“遥控帧”请求其他单元发送数据
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错误检测与恢复
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所有单元可以检测错误
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检测到错误的单元会通知其他所有单元
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发送单元检测到错误会强制结束发送，并反复重发直到成功
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故障封闭
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CAN能区分暂时数据错误和持续数据错误
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发生持续数据错误时，可将故障单元从总线上隔离
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连接能力
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CAN总线可连接多个单元，理论上连接单元数无限制
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实际连接数受总线时间延迟和电气负载限制，通信速度与连接单元数成反比
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CAN 的电气属性
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CAN 电气属性
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CAN总线连接
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使用两根线：CAN_H和CAN_L
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通过判断这两根线上的电位差来确定总线电平
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电平类型
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CAN总线电平分为显性电平和隐性电平两种
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显性电平
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表示逻辑“0”
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CAN_H电平为3.5V
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CAN_L电平为1.5V
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电位差为2V
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隐性电平
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表示逻辑“1”
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CAN_H和CAN_L电压都为2.5V左右
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电位差为0V
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数据传输方式
- 通过显性和隐性电平的变化发送数据
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总线空闲状态
- 当总线上没有节点传输数据时，总线处于隐性状态，即总线空闲时电平为隐性
CAN 网络拓扑
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CAN 网络拓扑图
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CAN总线简介
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CAN是一种分布式控制总线，类似于以太网
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CAN网络由多个CAN节点组成
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节点结构
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每个CAN节点非常简单，包括
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一个MCU（微控制器）
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一个CAN控制器
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一个CAN收发器
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通过CAN_H和CAN_L两根线连接在一起，形成CAN局域网络
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物理介质
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CAN可以使用多种物理介质，如双绞线、光纤等
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最常用的是双绞线
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信号传输
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信号使用差分电压传送，线对称为CAN_H和CAN_L
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开发板上的CAN接口使用这两条信号线，接口也只有这两条信号线
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网络拓扑
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所有CAN节点通过CAN_H和CAN_L连接在一起
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CAN_H接CAN_H
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CAN_L接CAN_L
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CAN总线两端各接一个120Ω的端接电阻，用于匹配总线阻抗，吸收信号反射及回拨，提高抗干扰能力和可靠性
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传输速度
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CAN总线传输速度可达1Mbps
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最新的CAN-FD最高速度可达5Mbps，甚至更高
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传输速度与总线距离有关，总线距离越短，传输速度越快
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CAN 总线通信模型
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OSI 七层模型和 CAN 协议
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CAN 总线协议与 OSI 模型的关系
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CAN 总线传输协议参考了 OSI 七层模型
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实际上，CAN 协议只定义了“传输层”、“数据链路层”以及“物理层”这三层
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应用层协议
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应用层协议可由 CAN 用户根据特定工业领域需求自行定义
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常见的工业控制和制造业应用
- DeviceNet：适用于 PLC 和智能传感器
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汽车工业应用
- 各制造商有各自的应用层协议标准
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不同的应用层协议
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用于自动化技术的现场总线标准：DeviceNet
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工业控制：CanOpen
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乘用车的诊断协议：OBD、UDS（统一诊断服务，ISO14229）
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商用车的 CAN 总线协议：SAE J1939
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数据链路层
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分为 MAC 子层和 LLC 子层
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MAC 子层是 CAN 协议的核心部分
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主要功能
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将物理层收到的信号组织成有意义的消息
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提供错误控制和传输控制的流程
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具体功能包括消息的帧化、仲裁、应答、错误的检测或报告
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通常在 CAN 控制器的硬件中执行
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物理层
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定义信号的实际发送方式、位时序、位的编码方式及同步的步骤
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具体未定义的内容（需用户根据系统需求确定）
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信号电平
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通信速度
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采样点
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驱动器和总线的电气特性
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连接器的形态
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CAN 帧的种类
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CAN通信协议报文帧类型
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定义了5种类型的报文帧
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通信通过这5种帧进行
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帧的种类及用途
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数据帧的构成
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数据帧和遥控帧格式
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数据帧
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使用最多的帧类型
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数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式
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标准格式：11位标识符（ID）
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扩展格式：29位标识符（ID）
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数据帧由 7 个段构成
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帧起始
:表示数据帧开始的段 -
仲裁段:表示该帧优先级的段
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控制段
:表示数据的字节数及保留位的段 -
数据段:
数据的内容，可发送0～8个字节的数据 -
CRC段
:检查帧的传输错误的段 -
ACK段
:表示确认正常接收的段 -
帧结束
:表示数据帧结束的段
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帧结构符号
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D：显性电平（0）
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R：隐性电平（1）
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D/R：显性或隐性（0或1）
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更加详细的内容可以参考瑞萨电子编写的《CAN入门教程》
SocketCan 应用编程
概要
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CAN设备管理
- 在Linux系统中，CAN设备被作为网络设备进行管理
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SocketCAN应用编程接口
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Linux提供了SocketCAN应用编程接口
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使得CAN总线通信近似于以太网通信
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提高了应用程序开发接口的通用性和灵活性
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头文件
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SocketCAN中的大部分数据结构和函数在头文件linux/can.h中定义
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应用程序中必须包含<linux/can.h>头文件
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创建 socket 套接字
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CAN总线套接字的创建
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CAN总线套接字使用标准的网络套接字操作来创建
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网络套接字在头文件<sys/socket.h>中定义
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创建CAN套接字
- int sockfd = -1;
/* 创建套接字 */
sockfd = socket(PF_CAN, SOCK_RAW, CAN_RAW);
if(0 > sockfd) {
perror(“socket error”);
exit(EXIT_FAILURE);
}
- 在创建套接字时，如果返回值小于0，表示创建失败- 使用perror函数输出错误信息，并调用exit(EXIT_FAILURE)退出程序- socket函数参数- 第一个参数：通信域- 在SocketCAN中，通常设置为PF_CAN，指定为CAN通信协议- 第二个参数：套接字类型- 通常设置为SOCK_RAW，表示原始套接字类型- 第三个参数：协议类型- 通常设置为CAN_RAW，指定CAN原始协议
将套接字与 CAN 设备进行绑定
-
CAN套接字与can0绑定示例
- …
struct ifreq ifr = {0};
struct sockaddr_can can_addr = {0};
int ret;
…
strcpy(ifr.ifr_name, “can0”); //指定名字
ioctl(sockfd, SIOCGIFINDEX, &ifr);
can_addr.can_family = AF_CAN; //填充数据
can_addr.can_ifindex = ifr.ifr_ifindex;
/* 将套接字与 can0 进行绑定 */
ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&can_addr, sizeof(can_addr));
if (0 > ret) {
perror(“bind error”);
close(sockfd);
exit(EXIT_FAILURE);
}
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struct ifreq
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用于指定网络接口名称和获取接口索引
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定义在<net/if.h>头文件中
-
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struct sockaddr_can
-
用于指定CAN协议族和接口索引
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定义在<linux/can.h>头文件中
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设置过滤规则
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默认接收所有ID的报文
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设置过滤规则的需求
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如果应用程序只需要接收某些特定ID的报文，或者只发送报文而不接收所有报文，可以通过setsockopt函数设置过滤规则
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过滤规则示例
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例如，某应用程序只接收ID为0x60A和0x60B的报文帧，可以设置过滤规则，将其他不符合规则的帧过滤掉
- struct can_filter rfilter[2]; //定义一个 can_filter 结构体对象
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// 填充过滤规则，只接收 ID 为(can_id & can_mask)的报文
rfilter[0].can_id = 0x60A;
rfilter[0].can_mask = 0x7FF;
rfilter[1].can_id = 0x60B;
rfilter[1].can_mask = 0x7FF;
// 调用 setsockopt 设置过滤规则
setsockopt(sockfd, SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_FILTER, &rfilter, sizeof(rfilter));
- can_filter结构体成员- struct can_filter结构体中有两个成员- can_id- can_mask- 仅发送数据，不接收报文- 如果应用程序不接收所有报文（仅发送数据），可以在内核中省略接收队列，以减少CPU资源的消耗- setsockopt(sockfd, SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_FILTER, NULL, 0);- 这里setsockopt函数的第4个参数设置为NULL，第5个参数设置为0
数据发送/接收
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CAN总线与标准套接字通信的差异
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每次通信都采用struct can_frame结构体将数据封装成帧
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struct can_frame结构体定义
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struct can_frame {
canid_t can_id; /* CAN 标识符 /
__u8 can_dlc; / 数据长度（最长为 8 个字节） /
__u8 __pad; / padding /
__u8 __res0; / reserved / padding /
__u8 __res1; / reserved / padding /
__u8 data[8]; / 数据 */
}; -
can_id: 帧的标识符
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标准帧: 使用can_id的低11位
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扩展帧: 使用0～28位
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第29、30、31位是帧的标志位，用来定义帧的类型
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/* special address description flags for the CAN_ID /
#define CAN_EFF_FLAG 0x80000000U / 扩展帧的标识 /
#define CAN_RTR_FLAG 0x40000000U / 远程帧的标识 /
#define CAN_ERR_FLAG 0x20000000U / 错误帧的标识，用于错误检查 */
-
-
-
/* mask /
#define CAN_SFF_MASK 0x000007FFU / <can_id & CAN_SFF_MASK>获取标准帧 ID /
#define CAN_EFF_MASK 0x1FFFFFFFU / <can_id & CAN_EFF_MASK>获取标准帧 ID /
#define CAN_ERR_MASK 0x1FFFFFFFU / omit EFF, RTR, ERR flags */
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(1)、数据发送
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发送数据
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使用write()函数发送数据
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示例：发送包含三个字节数据0xA0、0xB0、0xC0，帧ID为123
- struct can_frame frame; //定义一个 can_frame 变量
int ret;
- struct can_frame frame; //定义一个 can_frame 变量
-
-
frame.can_id = 123;//如果为扩展帧，那么 frame.can_id = CAN_EFF_FLAG | 123;
frame.can_dlc = 3; //数据长度为 3
frame.data[0] = 0xA0; //数据内容为 0xA0
frame.data[1] = 0xB0; //数据内容为 0xB0
frame.data[2] = 0xC0; //数据内容为 0xC0
ret = write(sockfd, &frame, sizeof(frame)); //发送数据
if(sizeof(frame) != ret) //如果 ret 不等于帧长度，就说明发送失败
perror(“write error”);
- 发送远程帧- 示例：发送远程帧（帧ID为123）- struct can_frame frame;
frame.can_id = CAN_RTR_FLAG | 123;
write(sockfd, &frame, sizeof(frame));
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(2)、数据接收
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使用read()函数接收数据
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struct can_frame frame;
-
int ret = read(sockfd, &frame, sizeof(frame));
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(3)、错误处理
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判断can_id中的CAN_ERR_FLAG位来确定接收到的帧是否为错误帧
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错误帧的具体原因可以通过can_id的其他符号位判断
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错误帧的符号位在头文件<linux/can/error.h>中定义
- /* error class (mask) in can_id /
#define CAN_ERR_TX_TIMEOUT 0x00000001U / TX timeout (by netdevice driver) /
#define CAN_ERR_LOSTARB 0x00000002U / lost arbitration / data[0] /
#define CAN_ERR_CRTL 0x00000004U / controller problems / data[1] /
#define CAN_ERR_PROT 0x00000008U / protocol violations / data[2…3] /
#define CAN_ERR_TRX 0x00000010U / transceiver status / data[4] /
#define CAN_ERR_ACK 0x00000020U / received no ACK on transmission /
#define CAN_ERR_BUSOFF 0x00000040U / bus off /
#define CAN_ERR_BUSERROR 0x00000080U / bus error (may flood!) /
#define CAN_ERR_RESTARTED 0x00000100U / controller restarted */
…
…
- /* error class (mask) in can_id /
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回环功能设置
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在默认情况下，CAN的本地回环功能是开启的
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使用setsockopt函数设置本地回环功能
- int loopback = 0; //0 表示关闭，1 表示开启(默认)
setsockopt(sockfd, SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_LOOPBACK, &loopback, sizeof(loopback));
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本地回环功能开启的情况下
- 所有的发送帧都会被回环到与CAN总线接口对应的套接字上
CAN 应用编程实战
测试
- 配置 CAN 设备，使用 cansend 命令发送数据，使用 candump 命令接收数据，利用 CAN 分析仪进行测试
CAN 数据发送实例
- 每隔 1 秒中通过 can0 发送一帧数据，一次发送 6 个字节数据，帧 ID 为 0x123
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/socket.h>
#include <linux/can.h>
#include <linux/can/raw.h>
#include <net/if.h>int main(void)
{struct ifreq ifr = {0}; // 定义网络接口请求结构体，并初始化为0struct sockaddr_can can_addr = {0}; // 定义CAN套接字地址结构体，并初始化为0struct can_frame frame = {0}; // 定义CAN帧结构体，并初始化为0int sockfd = -1; // 定义套接字描述符，并初始化为-1int ret; // 定义返回值变量/* 打开套接字 */sockfd = socket(PF_CAN, SOCK_RAW, CAN_RAW); // 创建原始CAN套接字if(0 > sockfd) {perror("socket error");exit(EXIT_FAILURE);}/* 指定can0设备 */strcpy(ifr.ifr_name, "can0"); // 设置网络接口名称为can0ioctl(sockfd, SIOCGIFINDEX, &ifr); // 获取can0的接口索引can_addr.can_family = AF_CAN; // 设置地址族为AF_CANcan_addr.can_ifindex = ifr.ifr_ifindex; // 设置接口索引/* 将can0与套接字进行绑定 */ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&can_addr, sizeof(can_addr));if (0 > ret) {perror("bind error");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}/* 设置过滤规则：不接受任何报文、仅发送数据 */setsockopt(sockfd, SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_FILTER, NULL, 0);/* 发送数据 */frame.data[0] = 0xA0;frame.data[1] = 0xB0;frame.data[2] = 0xC0;frame.data[3] = 0xD0;frame.data[4] = 0xE0;frame.data[5] = 0xF0;frame.can_dlc = 6; //一次发送6个字节数据frame.can_id = 0x123;//帧ID为0x123,标准帧for ( ; ; ) {ret = write(sockfd, &frame, sizeof(frame)); //发送数据if(sizeof(frame) != ret) { //如果ret不等于帧长度，就说明发送失败perror("write error");goto out;}sleep(1); //一秒钟发送一次}out:/* 关闭套接字 */close(sockfd);exit(EXIT_SUCCESS);
}-
程序的实现
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创建CAN套接字：使用socket函数创建一个原始CAN套接字，并检查是否成功
-
指定CAN设备：通过strcpy函数设置网络接口名称为can0，然后使用ioctl函数获取can0的接口索引，并设置CAN套接字地址结构体
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绑定套接字：使用bind函数将套接字绑定到指定的CAN接口can0，并检查绑定是否成功
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设置过滤规则：通过setsockopt函数设置套接字选项，使得套接字不接收任何报文，仅用于发送数据
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准备发送数据：设置要发送的CAN帧数据，包括数据字节、数据长度码（DLC）和帧ID
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循环发送数据：在一个无限循环中，使用write函数发送CAN帧数据，并检查发送是否成功。如果发送失败，程序会跳转到out标签处
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间隔发送数据：在每次发送数据后，程序会调用sleep函数，使得数据每隔一秒钟发送一次
-
关闭套接字并退出：在程序结束时，使用close函数关闭套接字，并调用exit函数以成功状态退出程序
-
CAN 数据接收实例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/socket.h>
#include <linux/can.h>
#include <linux/can/raw.h>
#include <net/if.h>int main(void)
{struct ifreq ifr = {0}; // 定义网络接口请求结构体，并初始化为0struct sockaddr_can can_addr = {0}; // 定义CAN套接字地址结构体，并初始化为0struct can_frame frame = {0}; // 定义CAN帧结构体，并初始化为0int sockfd = -1; // 定义套接字描述符，并初始化为-1int i; // 循环变量int ret; // 返回值变量/* 打开套接字 */sockfd = socket(PF_CAN, SOCK_RAW, CAN_RAW);if(0 > sockfd) {perror("socket error");exit(EXIT_FAILURE);}/* 指定can0设备 */strcpy(ifr.ifr_name, "can0"); // 设置网络接口名称为can0ioctl(sockfd, SIOCGIFINDEX, &ifr); // 获取can0接口索引can_addr.can_family = AF_CAN; // 设置地址族为AF_CANcan_addr.can_ifindex = ifr.ifr_ifindex; // 设置接口索引/* 将can0与套接字进行绑定 */ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&can_addr, sizeof(can_addr));if (0 > ret) {perror("bind error");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}/* 设置过滤规则 *///setsockopt(sockfd, SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_FILTER, NULL, 0);/* 接收数据 */for ( ; ; ) {if (0 > read(sockfd, &frame, sizeof(struct can_frame))) { // 读取CAN帧数据perror("read error");break;}/* 校验是否接收到错误帧 */if (frame.can_id & CAN_ERR_FLAG) {printf("Error frame!\n");break;}/* 校验帧格式 */if (frame.can_id & CAN_EFF_FLAG) //扩展帧printf("扩展帧 <0x%08x> ", frame.can_id & CAN_EFF_MASK);else //标准帧printf("标准帧 <0x%03x> ", frame.can_id & CAN_SFF_MASK);/* 校验帧类型：数据帧还是远程帧 */if (frame.can_id & CAN_RTR_FLAG) {printf("remote request\n");continue;}/* 打印数据长度 */printf("[%d] ", frame.can_dlc);/* 打印数据 */for (i = 0; i < frame.can_dlc; i++)printf("%02x ", frame.data[i]);printf("\n");}/* 关闭套接字 */close(sockfd);exit(EXIT_SUCCESS);
}-
创建CAN套接字：使用socket函数创建一个原始CAN套接字，并检查是否成功
-
指定CAN设备：通过strcpy函数设置网络接口名称为can0，然后使用ioctl函数获取can0的接口索引，并设置CAN套接字地址结构体
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绑定套接字：使用bind函数将套接字绑定到指定的CAN接口can0，并检查绑定是否成功
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接收数据
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使用无限循环持续接收CAN帧
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使用 read 函数读取CAN帧数据，如果读取失败，输出错误信息并退出循环
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校验接收到的帧是否为错误帧，如果是，输出错误信息并退出循环
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校验帧格式（扩展帧或标准帧）并打印帧ID
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校验帧类型（数据帧或远程请求帧），如果是远程请求帧，输出信息并继续下一次循环
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打印帧数据长度
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打印帧数据的每个字节
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-
关闭套接字并退出：在程序结束时，使用close函数关闭套接字，并调用exit函数以成功状态退出程序