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嵌入式Linux下的Socket CAN驅動理解

Q4MP_gh_c472c21 ? 來源:未知 ? 作者:李倩 ? 2018-03-23 11:43 ? 次閱讀

由于Socket CAN涉及到CAN總線協議、套接字、Linux網絡設備驅動等。因此,為了能夠全面地了解Socket CAN的原理。我們需要了解以下幾個方面的知識點:

(1)CAN總線協議;

(2)Socket原理;

(3)Linux網絡設備驅動;

當熟悉以下三個方面的知識點后,我們再去分析基于Linux的Socket CAN的驅動。這樣的話理解起來更加容易、易懂。

(4)Socket CAN的驅動;

一、CAN總線協議

由于CAN總線協議的內容太多,作為博文來說,不適宜很詳細的講解。需要深入了解的朋友們可以Google一下。以下只是作些簡要的說明。

CAN是ControllerArea Network(控制器局域網)的縮寫。CAN通信協議在1986年由德國電氣商博世公司所開發,主要面向汽車的通信系統。現已是ISO國際標準化的串行通信協議。根據不同的距離、不同的網絡,可配置不同的速度,最高速度為1MBit/s。

CAN被細分為三個層次:

(1)CAN對象層(the object layer);

(2)CAN傳輸層(the transfer layer);

(3)CAN物理層(the phyical layer);

對象層和傳輸層包括所有由ISO/OSI模型定義的數據鏈路層的服務和功能。

對象層的作用范圍包括:

(1)查找被發送的報文。

(2)確定由實際要使用的傳輸層接收哪一個報文。

(3)為應用層相關硬件提供接口

傳輸層的作用主要:

(1)傳送規則,也就是控制幀結構、執行仲裁、錯誤檢測、出錯標定、故障界定。

(2)總線上什么時候開始發送新報文及什么時候開始接收報文,均在傳輸層里確定。

(3)位定時的一些普通功能也可以看作是傳輸層的一部分。

(4)傳輸層的修改是受到限制的。

物理層的作用:

在不同節點之間根據所有的電氣屬性進行位信息的實際傳輸。當然,同一網絡內,物理層對于所有的節點必須是相同的。盡管如此,在選擇物理層方面還是很自由的。

圖1 CAN協議所對應的ISO模型

CAN具有以下的屬性:

(1)報文(Messages):簡單來說就是具有固定格式的數據包。

(2)信息路由(Information Routing):即,報文尋找結點的方式。

(3)位速率(Bit rate):數據位的傳輸速度。

(4)優先權(Priorities):即報文發送的優先權。

(5)遠程數據請求(Remote Data Request):通過發送遠程幀,需要數據的節點可以請求另一節點發送相應的數據幀。

(6)多主機(Multimaster):總線空閑時,任何結點都可以開始傳送報文。

(7)仲裁(Arbitration):當2個及以上的單元同時開始傳送報文,那么就會有總線訪問沖突。仲裁是確定哪個單元的具有發送優先權。

(8)安全性(Safety):CAN的每一個節點均采取了強有力的措施以進行錯誤檢測、錯誤標定及錯誤自檢。

(9)錯誤檢測(Error Detection):包括監視、循環冗余檢查、位填充、報文格式檢查。

(10)錯誤檢測的執行(Performance of Error Detection)

(11)錯誤標定和恢復時間(Error Sinalling and Recovery Time):任何檢測到錯誤的結點會標志出已損壞的報文。此報文會失效并將自動地開始重新傳送。如果不再出現新的錯誤,從檢測到錯誤到下一報文的傳送開始為止,恢復時間最多為29個位的時間。

(12)故障界定(Fault Confinement):CAN結點能夠把永久故障和短暫擾動區分開來。永久故障的結點會被關閉。

(13)連接(Connections):CAN串行通訊鏈路是可以連接許多結點的總線。理論上,可連接無數多的結點。但由于實際上受延遲時間或者總線線路上電氣負載的影響,連接結點的數量是有限的。

(14)單通道(Single Channel):總線是由單一進行雙向位信號傳送的通道組成。

(15)總線值(Bus value):總線可以具有兩種互補的邏輯值之一:“顯性”(可表示為邏輯0)或“隱性”(可表示為邏輯1)。

(16)應答(Acknowledgment):所有的接收器檢查報文的連貫性。對于連貫的報文,接收器應答;對于不連貫的報文,接收器作出標志。

(17) 睡眠模式/喚醒(Sleep Mode / Wake-up):為了減少系統電源的功率消耗,可以將CAN器件設為睡眠模式以便停止內部活動及斷開與總線驅動器的連接。CAN器件可由總線激活,或系統內部狀態而被喚醒。

1、CAN總線的報文格式

CAN傳輸的報文,可分為五種類型:

(1)數據幀:用于發送結點向接收結點傳送數據的幀。

(2)遠程幀:總線結點發出遠程幀,請求發送具有同一識別符的數據幀。

(3)錯誤幀:任何結點檢測到一總線錯誤就發出錯誤幀。

(4)過載幀:過載幀用以在先行的和后續的數據幀(或遠程幀)之間提供一附加的延時。

(5)幀間隔:用于將數據幀及遠程幀與前面的幀分離開來的幀。

數據幀由7個不同的位場組成:

數據幀有標準格式和和遠程格式,以下是其格式表示:

圖2 數據幀格式

遠程幀由6個不同的位場組成:

遠程幀沒有數據幀的數據場,以下是其格式表示:

圖3 遠程幀格式

錯誤幀用于在接收和發送消息時檢測出錯誤,通知錯誤的幀。錯誤幀由錯誤標志和錯誤界定符構成。

錯誤標志包括主動錯誤標志和被動錯誤標志兩種。

主動錯誤標志:6個位的顯性位,處于主動錯誤狀態的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標志。

被動錯誤標志:6個位的隱性位,處于被動錯誤狀態的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標志。

錯誤界定符由8個位的隱性位構成。

錯誤幀格式如下表示:

圖4 錯誤幀格式

過載幀是用于接收單元通知其尚未完成接收準備的幀。過載幀由過載標志和過載界定符構成。過載幀格式如下表示:

圖5 過載幀格式

幀間隔是用于分隔數據幀和遠程幀的幀。數據幀和遠程幀可通過插入幀間隔將本幀與前面的任何幀(數據幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀)分開。過載幀和錯誤幀前不能插入幀間隔。幀間隔如下圖所示:

圖6 幀間隔格式

2、CAN總線的仲裁方式

在總線空閑態,最先開始發送消息的單元獲得發送權。多個單元同時開始發送時,各發送單元從仲裁段的第一位開始進行仲裁。連續輸出顯性電平最多的單元可繼續發送。即逐位地對比各個結點發出的報文ID。由于線與的關系,顯示位“0”可以覆蓋隱性位“1”,因此ID最小的節點贏得仲裁,總線上表現為該結點的報文,其他結點失去仲裁,退出發送,轉為接收狀態。

標準格式ID與具有相同ID的遠程幀或者擴展格式的數據幀在總線上競爭時,標準格式的RTR位為顯性位的具有優先權,可繼續發送。

圖7 仲裁方式

3、位填充(BitStuffing)

位填充是為了防止突發錯誤而設定的功能。位填充的規則如下:

(1)5位連續相同電平之后,必須填充一位反向位,即不允許有6個連續相同位;

(2)SOF之前為總線空閑狀態,不需要同步,因此不需要位填充;

(3)CRC之后為固定格式,不允許填充;

(4)由CAN控制器自動實現;

4、CAN的錯誤處理

CAN控制器檢測錯誤共有以下5種:

(1)位填充錯誤;

在使用位填充的幀場內,結點如果檢測到6個連續相同的位值,則產生位填充錯誤,在下一位開始時,該結點將發送一個錯誤幀。

(2)位錯誤;

在發送期間,結點檢測到總線的位值與自身發送的位值不一致時,則產生位錯誤,在下一位開始時,該結點將發送一個錯誤幀。

(3)CRC錯誤;

接收結點計算的CRC碼與數據幀本身自帶的CRC碼不一致,接收結點將丟棄該幀,并在ACK界定符之后發送一個錯誤幀。

(4)應答錯誤;

發送結點在ACK Slot位會發送隱性位,同時監聽總線是否為顯性位,如果是顯性位,則表明至少一個節點正確收到該幀;如果是隱性位,將產生ACK錯誤,發送結點發送一個錯誤幀。

(5)格式錯誤;

發送結節在(CRC界定符、ACK界定符、幀結束EOF)固定格式的位置檢測到顯性位時,將發生格式錯誤,并發送一個錯誤幀。

5、CAN總線同步

CAN總線的通信方式為NRZ方式。各個位的開關或者結尾都沒有附加同步信號。發送結點以與位時序同步的方式開始發送數據。另外,接收結點根據總線上電平的變化進行同步并進行接收工作。

但是,發送結點和接收結點存在的時鐘頻率誤差及傳輸路徑上的(電纜、驅動器等)相位延遲會引進同步偏差。因此接收結點需要通過同步的方式調整時序進行接收。

同步的作用是盡量使本地位時序與總結信號的位時序一致(本地同步段與總結信號邊沿同步)。只有接收結點需要同步;同步只會發生在隱性到顯性電平的跳沿。

同步的方式為硬件同步和再同步。

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