CAN通信：從原理到實際應用

一、CAN通信基礎

CAN（Controller Area Network）總線是一種數據通信協議，主要用於控制領域中的實時通信，如汽車電子控制系統、動力轉換設備等。CAN通信是一種基於串行異步通信方式的總線傳輸技術。它使用了差分信號傳輸，利用差分信號的優越性能來保證數據傳輸的可靠性和抗干擾能力，並實現點對點或廣播通信。

在CAN總線中，每個參與通信的設備都被分配一個唯一的地址。CAN總線具有高效的數據傳輸方式，它可以在主控器和各個節點之間實現快速的數據傳輸，同時還允許多個設備同時連接在同一總線上，且不會引起衝突。CAN總線最常用的數據傳輸方式是「消息傳輸」。

在CAN總線上，每個節點都可以發佈消息或訂閱消息。發佈消息的節點稱為「發送節點」，訂閱消息的節點稱為「接收節點」。接收節點只會接收其已經訂閱的消息，不會接收其他不相關的消息。發送節點發送消息時，會將消息放到總線上，所有的接收節點都會接收到這條消息。接收節點會根據消息的標識符和數據長度來判斷是否需要處理這條消息，如果需要則處理該消息，否則忽略。

//CAN數據幀結構體
struct can_frame {
    canid_t can_id;  // 11 bit ID
    __u8    can_dlc; // 數據長度
    __u8    data[8]; // 數據段，最多8個位元組
};

二、CAN通信協議

CAN通信協議主要分為兩個部分：物理層協議和數據鏈路層協議。

物理層協議定義了CAN總線的物理特性和連接方式。CAN總線的物理特性主要包括總線電壓、傳輸速率、線纜長度和拓撲結構等。CAN總線的傳輸速率一般是在1Mbps以下，線纜長度可以根據具體應用需求自由定義，通常可以達到幾百米。

數據鏈路層協議主要規定了CAN總線上數據的傳輸方式和格式。CAN總線上的數據傳輸是基於數據幀的，每一幀包含了消息的標識符、數據長度、數據等信息。

//CAN初始化
void can_init(void) {
    //打開CAN驅動
    system("sudo modprobe can");
    system("sudo modprobe can_raw");
    system("sudo modprobe peak_usb");

    //創建CAN socket
    sockfd = socket(PF_CAN, SOCK_RAW, CAN_RAW);
    if (sockfd == -1) {
        perror("Create CAN socket error");
        exit(1);
    }

    //設置CAN socket選項
    setsockopt(sockfd, SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_FILTER, NULL, 0);
    setsockopt(sockfd, SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_ERR_FILTER, NULL, 0);
    setsockopt(sockfd, SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_LOOPBACK, &loopback, sizeof(loopback));
    setsockopt(sockfd, SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_RECV_OWN_MSGS, &recv_own_msgs, sizeof(recv_own_msgs));

    //綁定CAN socket到CAN接口
    addr.can_family = AF_CAN;
    strcpy(ifr.ifr_name, "can0");
    ioctl(sockfd, SIOCGIFINDEX, &ifr);
    addr.can_ifindex = ifr.ifr_ifindex;
    bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
}

三、CAN通信實際應用

CAN總線廣泛應用於工業控制、汽車電子、智能家居等領域。在實際應用中，我們可以根據具體需求設計CAN總線節點，實現多個節點之間的數據互通。

以汽車電子為例，一輛汽車通常包含多個電子系統，比如車身控制系統、發動機控制系統、儀錶盤控制系統等。這些系統之間需要進行數據交互，才能實現汽車的正常運行。CAN總線的應用可以優化數據傳輸的效率，提高整個電子系統的性能。

//CAN發送數據
void can_send_data(struct can_frame *frame) {
    int ret = write(sockfd, frame, sizeof(struct can_frame));
    if (ret != sizeof(struct can_frame)) {
        perror("CAN send data error");
        exit(1);
    }
}

//CAN接收數據
void can_recv_data(struct can_frame *frame) {
    int nbytes = read(sockfd, frame, sizeof(struct can_frame));
    if (nbytes < 0) {
        perror("CAN receive data error");
        exit(1);
    }
}

四、總結

CAN總線作為一種高效、可靠的數據傳輸技術，廣泛應用於控制領域。本文對CAN通信的基礎原理、協議規範和實際應用進行了詳細的介紹。通過學習CAN通信，我們可以更好地理解和應用總線技術，提高系統的穩定性和可靠性。