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文檔簡介
1、第16卷 第1期2007年1月云南民族大學學報(自然科學版Jou rnal o f Y unnan N ationa lities U n i versity(N a t ura l Sc iences Editi onV o.l 16 N o .1Jan .2007* 收稿日期:2006-09-21.作者簡介:田野(1984,男,碩士研究生,主要從事嵌入式通信系統(tǒng)的學習與研究.通訊作者:孟傳良(1950,男,教授,主要從事嵌入式通信系統(tǒng)研究.基于AVR 的CAN 總線通信協(xié)議分析技術(shù)田 野 張 威 高 亮 孟傳良(貴州大學電子科學與信息技術(shù)學院,貴州貴陽550003摘 要 介紹了一種基于AV
2、R 單片機的CAN 總線通信協(xié)議分析技術(shù).采用邏輯分析儀先分析CAN 總線上主機對各節(jié)點進行控制所產(chǎn)生的不同問答數(shù)據(jù)的含義.再使用AVR 單片機ATm ega168L 控制獨立的CAN 控制器M CP2510對CAN 總線上的報文進行監(jiān)聽,并通過上位機傳輸給PC 機顯示.結(jié)合CAN 總線規(guī)范及先前分析的問答數(shù)據(jù)的定義,通過PC 機上顯示的報文對協(xié)議進行完整的分析.關(guān)鍵詞 CAN 總線;AVR;上位機SP I 【中圖分類號】TN 915 04【文獻標識碼】A【文章編號】1672 8513(200701-0052-03The Technology of A nalyzi ng CAN Bus Pr
3、otoco l Based on AVRT ian Y e Zhang W e i Gao L i a ng M eng Chuan li a ng(Facu lty o f E lectron ics and Infor m ati o n Techno l o gy ,Gu izhou Un i v ersity ,Gu i y ang ,550003,ChinaAbst ract :The paper i n troduces the techno l o gy o f analyzing CAN bus pr o toco lbased on AVR.The defi n iti o
4、n o fdifferent data on the CAN bus can be ana l y zed by the log ic analyzer .By AVR S ilg le-ch i p Contro lsMCP2510m o n ito ri n g t h e m essage on the CAN,t h e m essage w illbe disp layed on t h e PC screen by the upper co m puter .Through t h e m essage ,the pro tocol can be co m pletely anal
5、yzed .K ey words :CAN bus AVR;U pper co m puter SPI1 CAN 總線規(guī)范概述CAN (controller area net w ork ,即控制器局域網(wǎng),是一種串行通信協(xié)議,具有較高的安全性能及錯誤處理能力.作為一種可靠,高效及經(jīng)濟的平臺,CAN 總線憑借諸多優(yōu)點廣泛應用于汽車系統(tǒng)、機械設(shè)備、工業(yè)控制等分布實時系統(tǒng)中,取代了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中復雜的接線配線.成為目前廣泛使用的現(xiàn)場總線之一.但是,國內(nèi)一些廠家在開發(fā)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品時缺乏C AN 總線標準化的指導,導致不同網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品互不兼容,削弱了不同產(chǎn)品之間的互操作性1.特別是在C AN 總線的應用最為廣泛
6、汽車行業(yè),由于不同汽車生產(chǎn)廠家對產(chǎn)品的CAN 總線上數(shù)據(jù)含義的定義各不相同且不對外公開,使得對不同汽車的性能進行診斷變得異常困難.因此對CAN 總線通信協(xié)議進行分析尤為重要.目前所使用的CAN 總線規(guī)范V2 0版本主要由A,B 兩部分組成.A 部分即C AN 規(guī)范V1 2版本,其采用的地址范圍由11個識別位定義,即標準格式.B 部分包括標準格式和擴展格式,后者為應對地址范圍擴大而制定的29個識別位格式.標準格式與擴展格式的區(qū)別在于擴展格式使用了C AN1 2版本中的第一個保留位,因而擴展格式仍是有效的.為了兼容C AN2 0,規(guī)定C AN 設(shè)備應采用CAN2 0中的A或B 部分2.2 CAN
7、總線通信協(xié)議分析2.1 協(xié)議分析原理CAN 總線被細分為三個不同的層次:對象層(ob j e ct layer、傳輸層(transfer layer和物理層(phy ical layer.對象層和傳輸層相當于ISO /OSI 模型定義的數(shù)據(jù)鏈路層.對象層的作用包括:查找被發(fā)送的報文;確定由實際要使用的傳輸層接收哪一個報文;為應用層相關(guān)硬件提供接口.這里的定義對象處理較為靈活.傳輸層的作用主要是傳送規(guī)則,也就是控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定、故障52理層方面比較自由2.對CAN 總線的協(xié)議分析主要有以下三個步驟:1使用邏輯分析儀對特定網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的C AN 總線上主機對各節(jié)點控制所產(chǎn)生的問
8、答數(shù)據(jù)進行分析.從中可以獲得主機與節(jié)點之間通信的波特率,以及數(shù)據(jù)所表示的含義.如在汽車系統(tǒng)中,那個數(shù)據(jù)表示引擎,那個數(shù)據(jù)表示出現(xiàn)故障等.2設(shè)計出基于AVR 的單片機系統(tǒng).AVR 單片機對C AN 總線上的報文進行監(jiān)聽.并通過上位機送PC 機顯示.獲取主機與各節(jié)點的所有問答數(shù)據(jù).3對獲取的問答數(shù)據(jù)根據(jù)CAN 總線規(guī)范及先前用邏輯分析儀所獲取的數(shù)據(jù)含義表進行完整分析該系統(tǒng)的CAN 總線協(xié)議.2.2 協(xié)議邏輯分析CAN 總線能夠使用雙絞線、光纖等多種物理介質(zhì),最常用的是雙絞線.信號使用差分電壓傳送,兩條信號線被稱為 C AN _H !和 C AN _L !,靜態(tài)時均是2 5V 左右.此時狀態(tài)表示為邏
9、輯 1!,也可以叫做 隱性!.用C AN _H 比CAN _L 高表示邏輯 0!,稱為 顯形!,此時,通常電壓值為:CAN _H =3 5V 和CAN _L=1 5V 4.如圖1所示 .將邏輯分析儀中兩個通道分別接到要分析系統(tǒng)的 C AN _H !和 C AN _L !兩條差分電壓信號線上.調(diào)整好采樣速率、靈敏度電壓、觸發(fā)電平等,就可以開始分析.當邏輯分析儀的兩個通道的數(shù)據(jù)為11時,則表示CAN 總線上這一時段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是1;當邏輯分析儀的兩個通道的數(shù)據(jù)為10時,則表示CAN 總線上這一時段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為0.由此主機與CAN 線上不同節(jié)點的問答數(shù)據(jù)就能以10或11的形式保存在邏輯分析儀的存儲器中
10、.調(diào)用這些數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)化為16進制,根據(jù)C AN 總線規(guī)范就可以分析出該系統(tǒng)CAN 總線上不同數(shù)據(jù)的含義.如系統(tǒng)的波特率、系統(tǒng)如何初始化、系統(tǒng)中不同節(jié)點的I D 標識等.2.3 報文監(jiān)聽硬件設(shè)計僅僅運用邏輯分析儀對C AN 總線上的數(shù)據(jù)進行分析是不夠的.因為CAN 總線的速率可達1M b it/s ,僅憑人工進行運算將產(chǎn)生量大而且繁瑣的問題.在前期對CAN 總線一些基本數(shù)據(jù)分析完畢的情況下,可采用在CAN 總線控制器的支持下AVR 單片機監(jiān)聽總線上數(shù)據(jù).監(jiān)聽任務(wù)由C AN 網(wǎng)絡(luò)控制器完成,監(jiān)聽所獲得的數(shù)據(jù)傳輸給AVR 單片機進行處理后通過上位機送PC 機顯示3.上位機可采用VB 或De l p h
11、 i 編程,也可采用現(xiàn)成的串口調(diào)試工具,如圖 2.主控制器采用ATMEL 公司的ATm ega64L ,它具有豐富的引腳及較高的處理速度.通信接口C AN 總線控制器采用M icrochip 公司出品的CAN 總線控制器MCP2510及P H I LI PS 公司出品的CAN 總線驅(qū)動器PC A82C250構(gòu)成(圖3.PCA82C250總線驅(qū)動器與系統(tǒng)物理總線相連,具有差分發(fā)射和接收能力,作為MCP2510總線控制器和系統(tǒng)物理總線之間數(shù)據(jù)發(fā)送信號和數(shù)據(jù)接收信號媒介交互.M CP2510總線控制器負責報文的發(fā)送、接收、過濾等工作,是CAN 總線接口控制板的核心器件.它支持CAN2 0A /B 技
12、術(shù)規(guī)范,能夠發(fā)送和接收標準和擴展報文,同時具備驗收過濾以及管理功能.該器件包含三個發(fā)送緩沖器和兩個接收緩沖器,減少了AVR 的管理負擔.M CP2510通過SPI 接口與ATm ega64L 進行數(shù)據(jù)通信4.2.4 報文監(jiān)聽軟件設(shè)計為實現(xiàn)SPI 同步通信方式,可將AVR 單片機設(shè)為主動方式,將MCP2510設(shè)為從動方式,發(fā)送和接收數(shù)據(jù)共用一個緩沖區(qū).緩沖區(qū)采用循環(huán)隊列的形式進行組織,由一指針指向它,AVR 單片機每發(fā)送一個數(shù)據(jù)就與MCP2510交換數(shù)據(jù),將其放入同一個存儲單元即可.CAN 總線控制器MCP2510負責完成總線通信協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能.MCP2510作為AVR 單片機的
13、SPI 的一個從設(shè)備,AVR 需要報文發(fā)送的時候,可以設(shè)置MCP2510相應寄存器,將相應位置低或發(fā)送相應命令,啟動報文的發(fā)送.此時,發(fā)送的報文將寫入發(fā)送緩沖區(qū)并進行一次發(fā)送請求,即可完成一次發(fā)送過程.當總線驅(qū)動器PCA82C250收到數(shù)據(jù)時,啟動一次AVR 單片機的外中斷,或由AVR 單片機定時查詢收發(fā)器上的狀態(tài)位,然后通過SPI 串行口訪問MCP2510控制芯片的外部寄存器就可以完成53第1期 田 野等:基于AVR 的CAN 總線通信協(xié)議分析技術(shù)對C AN 總線報文讀寫、控制操作.同時將報文通過上位機傳送到PC 機上顯示出來 .2.5 報文分析對PC 機顯示的數(shù)據(jù)可以根據(jù)CAN 總線規(guī)范進
14、行分析.顯示結(jié)果由標識符I D 和數(shù)據(jù)構(gòu)成.標識符為11個或29個識別位.數(shù)據(jù)由0到8個字節(jié)組成.根據(jù)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品對協(xié)議中數(shù)據(jù)的不同定義,就可以對CAN 總線上的協(xié)議進行完整的分析.表1給出了一段時間內(nèi)CAN 總線上報文數(shù)據(jù)流.可以看出,0B2,2D2,025,0B0,2C4,223,224,2C1,2D0,2D2這些是報文的標識符,有11個識別位,屬于CAN 總線規(guī)范中的標準格式.后面的數(shù)據(jù)為0到8個字節(jié).0B2,025,0B0周期性的出現(xiàn),說明了主機與節(jié)點正在進行問答控制.表1 CAN 總線報文數(shù)據(jù)流00200080218F2D 200參考文獻:1 杜鋼,王寧會.CAN 總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀的軟硬件
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