第6章汽車嵌入式系統(tǒng)常用通信技術2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計1第6章汽車嵌入式系統(tǒng)常用通信技術數字通信（digitaltelecommunications）是用數字信號作為載體來傳輸消息。數字通訊的優(yōu)點：抗干擾能力強、差錯可控、易加密、易于與現代技術相結合（如存儲、傳輸、交換、處理等），在現代控制系統(tǒng)中得到廣泛運用。本章以S12XE系列MCU為例，系統(tǒng)闡述MCU的常用各類通信技術的原理及其實現方法，包括:SCI（SerialCommunicationInterface）異步串行通信SPI（SerialPeripheralInterface）同步串行通信IIC（InterIntegrated-Circuit）同步串行通信CAN（ControllerAreaNetwork）控制器局域網絡LIN（LocalInterconnectNetwork）局域互聯網絡2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計2計算機中信息傳遞方式有串行通信和并行通信兩種;2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計36.1SCI串行通信SCI（SerialCommunicationInterface）是最常用、最經典的通用串行異步通信（UART，UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter）接口方式。異步是指收、發(fā)雙方使用各自的時鐘控制發(fā)送和接收過程，可以省去收、發(fā)雙方需要一條同步時鐘信號線，使異步串行通信的連接更簡單且容易實現。異步通信中數據或字符是一幀一幀傳送。幀即為一個字符的完整通信格式，又稱幀格式。一個完整的幀格式由4部分組成：起始位、數據位、奇偶校驗位、停止位。這種格式的空閑狀態(tài)為“1”，發(fā)送器通過發(fā)送1位起始位，“0”表示一個字節(jié)傳輸的開始，隨后是數據位（一般是8位或9位，可以包含校驗位等），最后，發(fā)送器發(fā)送1位停止位，表示一個字節(jié)傳送結束。若繼續(xù)發(fā)送下一字節(jié)，則重新發(fā)送開始位，開始一個新的字節(jié)傳送；若不發(fā)送新的字節(jié)，則維持“1”的狀態(tài)，使發(fā)送數據線處于空閑。每發(fā)送一個字節(jié)都要發(fā)送“開始位”與“停止位”。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計42．串行通信的波特率串行通信時，每秒內傳送的位數叫做波特率，波特率的單位是位/秒（bit/s，bitpersecond）。常用的波特率有：1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200等，很容易計算出每幀信息傳送所需的時間。隨著波特率的提高，相鄰兩位間的時間間隔變短，以至于很容易受到電磁源的干擾，通信可靠下降。通信距離問題也會造成信號衰減和信號被干擾。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計53．奇偶校驗在異步串行通信中，為確保傳輸的正確性。最常見的方法是每幀中增加一位（奇偶校驗位），供錯誤檢測使用。它是為每個字符增加一個額外位使字符中“1”的個數為奇數或偶數。奇數或偶數依據使用的是“奇校驗檢查”還是“偶校驗檢查”而定。當使用“奇校驗檢查”時如果字符數據位中“1”的數目是偶數，校驗位應為“1”；如果“1”的數目是奇數，校驗位應為“0”。當使用“偶校驗檢查”時，如果字符數據位中“1”的數目是偶數，則校驗位應為“0”；如果是奇數，則為“1”。例，ASCII字符“R”，其位構成是1010010B，有3個位為“1”，若使用奇校驗檢查，則校驗位為0；如果使用偶校驗檢查，則校驗位為1。奇偶校驗檢查方法簡單使用方便，發(fā)生1位錯誤的概率遠大于2位錯誤的概率，所以“奇偶校驗”這種方法還是最為常用的校驗方法。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計64．串行通信的傳輸方式單工（Simplex）：數據傳送是單向的，一端為發(fā)送端，另一端為接收端。這種傳輸方式中，除了地線之外，僅需一根數據線。全雙工（Full-duplex）：數據傳送是雙向的，且可以同時接收與發(fā)送數據。這種傳輸方式中，除了地線之外，需要兩根數據線，站在任何一端的角度看，一根為發(fā)送線，另一根為接收線。一般情況下，MCU的異步申行通信接口均是全雙工的。半雙工（Half-duplex）：數據傳送也是雙向的，但是在這種傳輸方式中，除地線之外，一般只有一根數據線。任何時刻，只能由一方發(fā)送數據，另一方接收數據，不能同時收發(fā)。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計75．RS-232總線標準MCU引腳輸入/輸出一般使用晶體管-晶體管邏輯電平TTL（TTL，Transistor-TransistorLogic）電平。而TTL電平的“1”和“0”的特征電壓分別為2.4V和0.4V，即電壓高于2.4V則識別為“1”，電壓低于0.4V則識別為“0”，一般僅適用于板內數據傳輸。若用TTL電平將數據傳輸超過5米，就無法保證信息傳送的可靠性了。為使信號傳輸得更遠，美國電子工業(yè)協會制訂了串行物理接口標準RS-232C，以下簡稱RS-232。RS-232采用負邏輯，-15~-3V為邏輯“1”，+3~+15V為邏輯“0”。其最大的傳輸距離可達30米，通信速率一般低于20kbit/s。標準串行通信接口普遍使用9芯串行接口（DB9）。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計8在MCU中，若使用RS-232總線與其它設備串行通信，則需外接電路實現電平轉換。在發(fā)送端，需要用驅動電路將TTL電平轉換成RS-232電平，在接收端需要用接收電路將RS-232電平轉換為TTL電平。目前廣泛使用MAX232芯片，該芯片使用+5V電源供電實現電平轉換。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計9進行MCU的SCI串行通信編程時，只針對MCU的TXD和RXD引腳，與MAX232無關，MAX232僅起電平轉換的作用，有時又稱其為串口通信驅動器、收發(fā)器等。6.1.3SCI應用實例2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計10【例6-1】采用中斷方式實現串口通信數據的接收。/*===初始化SCI===*/voidINIT_SCI(void){ SCI0BD=BUS_CLOCK/16/BAUD; //設置SCI0波特率為BAUD=9600 SCI0CR1=0x00;//設置SCI0為正常模式，8位數據位，無奇偶校驗

SCI0CR2=0x2c;//允許接收和發(fā)送數據，允許接收中斷功能}/*===串口發(fā)送函數===*/voidSCI_send(unsignedchardata){while(!SCI0SR1_TDRE); //等待發(fā)送數據寄存器（緩沖器）為空

SCI0DRL=data;}/*===串口接收函數===*/unsignedcharSCI_receive(void){while(!SCI0SR1_RDRF);//等待發(fā)送數據寄存器滿

return(SCI0DRL);}/*串口中斷接收函數*/#pragmaCODE_SEG__NEAR_SEGNON_BANKEDinterruptvoidreceivedata(void){data_receive=SCI_receive();if(data_receive=='O'){SCI_send('Y');LEDCPU=LED_ON;}if(data_receive=='C'){SCI_send('V');LEDCPU=LED_OFF;}}#pragmaCODE_SEGDEFAULT6.2SPI串行接口

2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計11圖6-5SPI外圍串行擴展結構圖SPI有4種通信方式：（1）方式0CPOL=0，CPHA=0。此時，空閑態(tài)時，SCLK處于低電平，數據采樣是在第1個邊沿，也就是SCLK由低電平到高電平的跳變，所以數據采樣是在上升沿，數據發(fā)送是在下降沿。（2）方式1CPOL=0，CPHA=1。此時，空閑態(tài)時，SCLK處于低電平，數據發(fā)送是在第1個邊沿，也就是SCLK由低電平到高電平的跳變，所以數據采樣是在下降沿，數據發(fā)送是在上升沿。（3）方式2CPOL=1，CPHA=0。此時，空閑態(tài)時，SCLK處于高電平，數據采集是在第1個邊沿，也就是SCLK由高電平到低電平的跳變，所以數據采集是在下降沿，數據發(fā)送是在上升沿。（4）方式3CPOL=1，CPHA=1。此時，空閑態(tài)時，SCLK處于高電平，數據發(fā)送是在第1個邊沿，也就是SCLK由高電平到低電平的跳變，所以數據采集是在上升沿，數據發(fā)送是在下降沿。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計12SPI接口在內部硬件實際上是簡單的移位寄存器，傳輸的數據為8位，在主器件產生的從器件使能信號和移位脈沖下，按位傳輸，高位在前，低位在后。如圖6-6，SSPSR是SPI設備內部的移位寄存器，根據SPI時鐘信號狀態(tài)，往SSPBUF里移入數據、從SSPBUF移出數據。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計13圖6-6SPI內部工作機制【例6-2】FM25040A實現對EEPROM的擴展FM25040A是存儲容量4Kb（512個字節(jié)）的EEPROM存儲器芯片，使用SPI接口進行數據的讀與寫。SPI的最高頻率可達20MHz，采用SOP8貼片封裝。關于FM25040A的封裝與引腳定義參見圖6-7，FM25040A的讀寫時序參見圖6-8、圖6-9。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計14圖6-8FM25040A存儲器寫時序圖6-9FM25040A存儲器讀時序理解時序的概念符號參數最小值最大值單位fCKSCK時鐘頻率020MHztCH時鐘高時間22

nstCL時鐘低時間22

nstCSU片選開始10

nstCSH片選保持10

nstOD輸出失效

20nstODV輸出數據有效

20nstOH輸出保持0

nstD失選時間60

nstR數據上升時間

50nstF數據下降時間

50nstSU數據建立時間5

nstH數據保持時間5

nstHS/保持建立時間10

nstHH/保持保持時間10

nstHZ/保持由低到高

20nstLZ/保持高到數據有效時間

20ns2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計15表6-2FM25040ASPI時序要求圖6-10FM25040ASPI時序要求2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計16/*===初始化SPI模塊===*/voidINIT_SPI(void){HOLD_dir=1;CS_dir=1;SPI0CR1=0b01010000; //使能SPI，禁止中斷，時鐘高有效，相位為0；SPI0CR2=0x00; //SS管腳為普通I/O，雙向模式；SPI0BR=0x70; //設置SPI時鐘頻率為2MHz;CS=1;}/*===SPI發(fā)送函數===*/voidSPI_send(unsignedchardata){while(!SPI0SR_SPTEF);SPI0DRL=data;}/*===SPI接收函數===*/unsignedcharSPI_receive(void){unsignedchartemp,data;while(!SPI0SR_SPIF);temp=SPI0SR;data=SPI0DRL;return(data);}/*===初始化FM25040A===*/voidINIT_FM25040A(void){HOLD=1;CS=0;}6.3IIC（I2C）串行總線IIC（InterIntegrated-Circuit）總線是PHILIPS公司推出的一種同步串行總線，是具備多主機系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線，它支持多主控，任何能夠進行發(fā)送和接收的設備都可以成為主控端。6.3.1IIC（I2C）的工作原理IIC總線只有兩根信號線，如圖6-11所示。一根是雙向數據信號線SDA；另一根是雙向時鐘線SCL。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計17圖6-11IIC（I2C）通信系統(tǒng)架構IIC總線的器件接口均是開漏結構，通過上拉電阻（大小由速度和容性負載決定，一般在3.3k-10k之間）接正電源。當總線空閑時，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關系。IIC總線工作速率常見的有標準模式100kbit/s和快速模式400kbit/s兩種，增強快速模式1Mbit/s和高速模式3.4Mbit/s，極速模式單向數據傳輸速率可達5Mbit/s。可以實現半雙工通信。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計18推挽輸出:可以輸出高,低電平,連接數字器件;不能實現“線與”，可能會發(fā)生短路，進而可能造成端口的損害。開漏輸出:開漏輸出無法真正輸出高電平,即高電平時沒有驅動能力。輸出端相當于三極管的集電極。要得到高電平狀態(tài)需要上拉電阻才行。適合于做電流型的驅動,其吸收電流的能力相對強(一般20ma以內)。尋址方式IIC總線采用純軟件尋址方式，無需片選線，大大簡化了總線數量。每個連接到總線的設備都有唯一的地址，地址為7位，前四位識別器件類別，一般是固定的；后三位由器件本身管腳A2、A1、A0可以編程，故同類器件一般最多掛8個。IIC總線明確規(guī)定，采用7位尋址字節(jié)，D7~D1位組成從機的地址。D0位是數據傳送方向位，為“0”時表示寫數據，為“1”時表示讀數據。主機發(fā)送地址時，總線上的每個從機都將這7位地址碼和自己的地址碼比較，如果相同則認為自己被主機尋址，根據讀/寫位確認為發(fā)送器或者接收器。寫操作，從地址為00000000b表示通用廣播地址。保留地址見表6-3。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計19從地址R/W(——)位說明00000000通用廣播地址00000001起始位0000001XCBUS地址0000010X不同總線格式保留0000011X將來功能保留00001XXXHS模式主代碼11111XX1設備ID11110XXX10位從地址表6-3IIC總線保留地址數據傳送IIC總線進行數據傳送時，時鐘信號為高電平期間，數據線上的數據必須保持穩(wěn)定，只有時鐘信號為低電平時，數據線上的電平才允許變化。SCL線為高電平時，SDA線由高變低表示起始信號；SCL線為高電平時，SDA線由低變高表示終止信號。起始信號和終止信號均是主機發(fā)出；起始信號產生后，總線處于被占用狀態(tài)；終止信號產生后，總線處于空閑狀態(tài)。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計20IIC數據傳送格式：字節(jié)傳送與應答要求每一個字節(jié)必須保證是8位長度。數據傳送時，先傳送最高位（MSB），每一個被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應答位（即一幀共有9位）。數據幀格式：IIC總線上的數據包括地址信號和數據信號。在起始信號后必須傳送一個從機的地址（7位），第8位是數據的傳送方向即讀（R/W?=1）還是寫（R/W?=0），每次數據傳送均是主機產生終止信號而結束。由于某種原因從機不對主機尋址信號應答時，它必須將數據線置于高電平，而由主機產生一個終止信號以結束總線的數據傳送；如果從機對主機進行了應答，但在數據傳送一段時間后無法繼續(xù)接收更多的數據時，從機可以通過對無法接收的第一個數據字節(jié)的“非應答”通知主機，主機則應發(fā)出終止信號以結束數據的繼續(xù)傳送；當主機接收數據時，它收到最后一個數據字節(jié)后，必須向從機發(fā)出一個結束傳送的信號。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計21總線的一次數據傳輸，包括以下幾種組合：1）主機向從機發(fā)送數據，數據的傳送方向在整個傳送過程中不變。2）主機在第一個字節(jié)后，立即從從機讀數據。3）在傳送過程中，需要改變讀寫方向時，需要重新發(fā)送起始信號和從機地址。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計22【例6-3】采用PCF8574芯片（引腳見圖6-19），實現通過IIC總線的遠程8位I/O擴展（電路原理圖見圖4-72）。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計23/*===初始化IIC===*/voidINIT_IIC(void){IIC0_IBFD=0x94; //總線時鐘32MHz，設置SCL主頻為100kHzIIC0_IBCR=0x80; //使能IIC模塊，禁止中斷

IIC0_IBSR_IBAL=1; //清除IBAL標志位}/*===通過IIC由PCF8574讀取數據===*/unsignedcharIIC_receive(void){unsignedchardata;IIC0_IBCR_TXAK=0; //接收到數據后有應答

IIC0_IBCR_TX_RX=1; //設置單片機為發(fā)送模式

IIC0_IBCR_MS_SL=1; //設置單片機為主機模式，產生開始信號

IIC0_IBDR=0b01000001;while(IIC0_IBSR_IBIF==0);IIC0_IBSR_IBIF=1;while(IIC0_IBSR_RXAK);IIC0_IBCR_TX_RX=0; //設置單片機為接收模式

IIC0_IBCR_TXAK=1; //接收到數據后無應答

data=IIC0_IBDR; //清空IIC的寄存器，準備接收

while(IIC0_IBSR_IBIF==0);IIC0_IBSR_IBIF=1;IIC0_IBCR_MS_SL=0;data=IIC0_IBDR; //讀取接收到的數據

return(data);}CAN是控制器局域網絡的簡稱，是一種能夠實現分布式實時控制的串行通信網絡。1）最高傳輸速度1Mbps，最遠通信距離10km，無損位仲裁機制，多主結構；2）低成本：多個ECU通過CAN接口進行通信，布線成本低；3）高集成：CAN總線系統(tǒng)允許在所有ECUs上進行集中錯誤診斷和配置；4）可靠性：該系統(tǒng)對子系統(tǒng)的故障和電磁干擾具有很強的魯棒性，是汽車控制系統(tǒng)的理想選擇；5）高效率：可以通過標識符ID對消息進行優(yōu)先級排序，以便最高優(yōu)先級ID的報文通信不被中斷；6）靈活性：每個ECU包含一個用于CAN總線收發(fā)芯片，可隨意添加CAN總線節(jié)點。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計24圖6-21CAN總線網絡簡圖CAN總線網絡主要掛在CAN_H和CAN_L，各個節(jié)點通過這兩條線實現信號的串行差分傳輸，為了避免信號的反射和干擾，還需要在CAN_H和CAN_L之間接上120?（模擬無限遠傳輸線的特性阻抗）的終端電阻。6.4S12XE的CAN總線8）靈活可屏蔽的識別濾波器，支持2個32位的濾波器、4個16位的濾波器、8個8位濾波器；9）集成低通濾波器可編程喚醒功能；10）可編程環(huán)路模式，用于自檢操作；11）可編程監(jiān)聽模式，用于檢測CAN總線狀態(tài)；12）可編程總線關閉與恢復功能；13）對整個CAN收發(fā)器的錯誤狀態(tài)（如警告、錯誤被動、關閉總線）具有獨立的產生信號和觸發(fā)中斷能力；14）可編程的MSCAN時鐘來源，可選擇總線或晶振時鐘；15）使用內部定時器作為收發(fā)消息的時間戳；16）3種低功耗模式：睡眠、斷電和MSCAN使能；17）配置寄存器全局初始化。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計251）遵循CAN-2.0A/B協議；2）支持標準和擴展幀格式；3）0~8個字節(jié)數據段長度；4）通信位速率可達1Mbps；5）支持遠程幀；6）5個基于FIFO存儲機制的接收寄存器；7）3個基于本地優(yōu)先級機制的發(fā)送寄存器；收發(fā)器S12XE的CAN輸入和輸出引腳Rx、Tx通過收發(fā)器與CAN總線進行物理性連接，形成通信網絡中的一個節(jié)點。收發(fā)器：S12XE的MSCAN模塊對應收發(fā)信號是TTL邏輯電平，須通過CAN收發(fā)器實現邏輯電平和CAN信號電平之間的轉換。此外，收發(fā)器可提供驅動CAN總線所需的大電流（提高驅動能力），并對出故障的CAN總線或基站進行電流保護。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計26助記符引腳描述TXD1發(fā)送數據輸入GND2接地Vcc3電源RXD4接收數據輸入Vref5參考電壓輸出CANL6低電平CAN總線CANH7高電平CAN總線S8選擇進入高速模式還是靜音模式CAN信號CAN總線采用不歸零碼位填充技術，也就是說CAN總線上的信號有兩種不同的信號狀態(tài)，分別是顯性的（Dominant）邏輯0和隱形的（Recessive）邏輯1，信號每一次傳輸完后不需要返回到邏輯0（顯性）的電平。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計27圖6-23CAN總線信號邏輯狀態(tài)當沒有數據發(fā)送時，兩條線的電平一樣都為2.5V，稱為靜電平，也就是隱性電平。當有信號發(fā)送時，CAN_High的電平升高1V，即3.5V，CAN_Low的電平降低1V，即1.5V。按照定義： CAN_H-CAN_L<0.5V時為隱性的，邏輯信號表現為“邏輯1”——高電平； CAN_H-CAN_L>0.9V時為顯性的，邏輯信號表現為“邏輯0”——低電平。2．CAN信號傳輸（1）發(fā)送過程CAN控制器將CPU傳來的信號轉換為邏輯電平。CAN發(fā)射器接收邏輯電平之后，再將其轉換為差分電平輸出到CAN總線上。參見圖6-24左圖。（2）接收過程CAN接收器將CAN_H和CAN_L線上傳來的差分電平轉換為邏輯電平輸出到CAN控制器，CAN控制器再把該邏輯電平轉化為相應的信號發(fā)送到CPU。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計28發(fā)送接收MCUCAN總線3．CAN總線傳輸幀結構CAN總線按幀進行數據傳輸，CAN的通信幀分成五種：數據幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀和幀間隔。數據幀根據仲裁段長度不同分為標準幀（2.0A）和擴展幀（2.0B）。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計29圖6-25CAN幀結構（1）幀起始由1個顯性位（低電平）組成，發(fā)送節(jié)點發(fā)送幀起始，其他節(jié)點同步于幀起始。（2）幀結束由7個隱形位（高電平）組成。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計302023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計31（3）仲裁段只要總線空閑，總線上任何節(jié)點都可以發(fā)送報文，如果有兩個或兩個以上的節(jié)點開始傳送報文，那么就會存在總線訪問沖突的可能。但是CAN使用了標識符的逐位仲裁方法可以解決這個問題。參見圖6-27。CAN總線控制器在發(fā)送數據的同時監(jiān)控總線電平，如果電平不同，則停止發(fā)送并做其他處理。如果該位位于仲裁段，則退出總線競爭；如果位于其他段，則產生錯誤事件。幀ID越小，優(yōu)先級越高。由于數據幀的RTR位為顯性電平，遠程幀為隱性電平，所以幀格式和幀ID相同的情況下，數據幀優(yōu)先于遠程幀；由于標準幀的IDE位為顯性電平，擴展幀的IDE位為隱形電平，對于前11位ID相同的標準幀和擴展幀，標準幀優(yōu)先級比擴展幀高。參見圖6-28。圖6-28CAN數據幀仲裁段圖6-27CAN位仲裁機制（4）數據段一個數據幀傳輸的數據量為0~8個字節(jié)，這種短幀結構使得CAN-bus非常適合汽車和工控應用場合，具有數據量小、發(fā)送和接收時間短、實時性高、被干擾的概率小、抗干擾能力強等優(yōu)點。如圖6-29所示。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計32圖6-29CAN幀數據段4．濾波原理CAN節(jié)點是通過設置標識符濾波寄存器的方式來識別當前CAN幀是否為自己所需的；2個32位的濾波器、4個16位的濾波器、8個8位濾波器；以2個32位識別濾波器的標識符濾波模式為例講解：2個32位的寄存器為過濾驗收寄存器（AC）和過濾屏蔽寄存器（AM）。過濾驗收寄存器AC設置了標識符每位的值；過濾屏蔽寄存器AM規(guī)定了標識符的每一位的值是否需要與過濾驗收寄存器進行匹配。0——需要匹配，1——不需要匹配。舉例：AC=0x0000037C，AM=0x00000072023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計33可見，AM寄存器最低3位為1，不需進行匹配。所以接收到的CAN擴展幀消息的ID的高26位必須與AC寄存器的高26位匹配，才會被過濾接收。表6-8實例中，ID為0x00000378~0x0000037F的報文均能被接收。擴展幀驗收與屏蔽碼的確定可按以下方式實現：（1）確定該CAN節(jié)點需要接收的報文ID。（2）由于這些報文均需要通過驗證，所以選取其中一個報文ID作為基礎過濾驗收碼，并將其余需要通過驗收的報文ID與之按位逐一進行對比，如果所有需要通過驗收的報文ID在該位的值均相同，則對應的過濾屏蔽碼在該位置0，否則置1，即可獲得基礎過濾屏蔽碼。考慮到過濾寄存器為32位，而報文ID是29位，有時還需要根據CAN控制器內部的過濾寄存器與報文ID的對齊方式，進行相應調整。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計34圖6-30擴展幀濾波屏蔽碼計算器運行圖為保證0x18FFDF00、0x18EAFF00、0x18CBFF00三個ID的報文被接收，對應的驗證碼為0x18FFDF00、屏蔽碼為0x00352000。對于CAN-II分析儀和S12XE系列MCU的驗證碼和屏蔽碼均需做適當調整，具體參見相關手冊。fCANCLK可通過控制寄存器CANCTL1中CLKSRC位選擇時鐘來源。CLKSRC=0，fCANCLK為晶振時鐘；CLKSRC=1，fCANCLK為總線時鐘?？删幊填A分頻器將CANCLK分頻生成量子時鐘（Tq），是CAN總線通信過程控制的最小時間單位，其計算公式為：CAN總線的位時間計算公式為：BitTime為位時間（s），分成三段：Sync_Seg、時段1、時段25．CAN總線波特率2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計35圖6-31CA時鐘機制1）Sync_Seg：該段有一個長度固定的時間份額，信號邊沿預計出現在本段；2）時段1：本段包括CAN標準的Prop_Seg和Phase_Seg1，通過設置參數TSEG1，使之包含4~16個時間份額，可對其進行編程；3）時段2：本段表示CAN標準的Phase_Seg2，通過設置TSEG2使之具有2~8個時間份額長，可對其進行編程?？偩€時序寄存器有兩個，共同作用決定總線的通信波特率?？偩€時序寄存器0（CANBTR0）和總線時序寄存器1（CANBTR1）有著各自不同的功能定義。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計362023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計376.4.4SAEJ1939通信協議SAEJ1939（以下簡稱J1939）是美國汽車工程協會（SAE）的推薦標準，用于中重型道路車輛上電子部件間通信的標準體系結構。J1939基于CAN總線，可達到250Kbps的通信速率。J1939描述了重型車輛現場總線的一種網絡應用，包括CAN網絡物理層定義J1939-11/15、數據鏈路層定義J1939-21、應用層定義J1939-71、網絡層定義J1939-31、故障診斷J1939-73和網絡管理J1939-81。SAEJ1939協議中，不僅僅指定了傳輸類型、報文結構及其分段、流量檢查等，而且報文內容本身也做了精確的定義。J1939是在商用車輛、艦船、軌道機車、農業(yè)機械和大型發(fā)動機中應用最廣泛的應用層協議。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計382．CAN標準幀和擴展幀標準幀只有11位的標識符（ID），擴展幀有11+18=29位標識符（ID）。CAN數據幀組成包括：幀起始（SOF）、仲裁域、控制域、數據域、循環(huán)冗余校驗域（CRC）、應答域（ACK）、幀結束（EOF）。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計39圖6-23CAN標準幀和擴展幀協議數據單元（PDU）（1）協議數據單元（PDU）如圖6-24所示，協議數據單元（PDU）=標識符+數據域PDU被封裝在一個或多個CAN數據幀中，通過物理介質傳送到其他網絡設備。每個CAN數據幀只能有一個PDU。CAN2.0B使用29位的標識符來區(qū)分不同的報文；J1939對這29標識符進行了重新的分類和解釋。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計40圖6-24協議數據單元（PDU）結構協議數據單元（PDU）J1939對CANID進行了重新劃分，加上最多8個字節(jié)的數據域，構成了J1939的協議數據單元，其中前3位表示優(yōu)先級位（P，Priority），之后是擴展數據頁位（EDP，ExtendedDataPage）、數據頁位（DP，DataPage）、PDU格式位（PF，PDUFormat）、PDU特定域位（PS，PDUSpecific）、源地址位（SA，SourceAddress）、數據域（DataFiled）。參數組編號（PGN，ParameterGroupNumber）：由29位CANID的中間18位共同組成。J1939是根據PGN來區(qū)分不同的報文（參見J1939-71），而普通CAN的報文是根據CANID來區(qū)分。J1939的協議數據單元與CAN報文幀相比要少SOF、SRR、IDE等，因為這些部分完全由CAN2.0B控制，J1939并未對這部分做任何修改。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計41（2）J1939PDU各部分介紹1）優(yōu)先級（P）：根據CAN2.0B的仲裁機制，ID越小優(yōu)先級越高。優(yōu)先級位于整個ID的最前面，實際上依然控制著ID大小，即CAN報文的優(yōu)先級。在J1939協議中優(yōu)先級僅僅用于優(yōu)化發(fā)送數據時的報文延遲，接收報文時則完全忽略優(yōu)先級。J1939中的優(yōu)先級可以從最高的0（000b）到最低優(yōu)先級7（111b）。默認情況下控制類報文的優(yōu)先級為3，其他報文的優(yōu)先級為6。當分配新的PGN或總線上流量改變時，允許提高或者降低優(yōu)先級。2）擴展數據頁（EDP）：擴展數據頁（EDP）聯合數據頁（DP）可以決定CAN報文幀中CANID的結構，目前為保留位，必須設置為0。3）數據頁（DP）：用于聯合擴展數據頁來決定CANID結構，當EDP為0時，DP為0或者1分別表示第0頁或者第1頁PGN。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計42J1939PDU各部分介紹4）PDU格式域（PF）：PF用來確定PDU的格式。PF<240（0xF0）為PDU1格式；PF=240~255為PDU2格式，對應PF的高四位均為1。5）PDU特定域（PS）：PS的定義取決于PF。PDU1格式下PS域是目標地址（DA，DestinationAddress）；PDU2格式下PS域為組擴展（GE，GroupExtension）值。目標地址（DA）：除目標地址的設備外，其他設備會忽略此報文。如果目標地址為0xFF，則表示為全局地址，此時所有設備都應該監(jiān)聽此報文并在收到報文后做出響應。組擴展（GE）：組擴展與PDU格式域PF的低四位（注意：當PDU格式域最高四位被置1，說明PS域是組擴展）規(guī)定了每個數據頁4096個參數組。6）源地址（SA）：完整的汽車系統(tǒng)由多個ECU模塊，SAEJ1939協議為每個控制設備分配了8位地址標識符。SA指示該幀報文是由哪個控制器（用8位地址標識符）發(fā)送的。7）數據域（DATA）：存放該幀報文傳送的數據，長度為8字節(jié)。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計43J1939PDU各部分介紹圖6-24中18位PGN的計算方法非常簡單，可下面算法實現：if(PF<0xF0)PGN=(DP<<9)+(PF<<8);elsePGN=(DP<<9)+(PF<<8)+PS;當PF<240（0xF0），PGN數目等于2×0xF0=480；當PF>=240，PGN數目應等于2×16×256=8192。所以，兩種情況PGN總數應為480+8192=8672。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計44（3）多幀傳輸機制當傳輸的數據大于8個字節(jié)時，此時就需要使用多幀傳輸。J1939多幀傳輸的規(guī)則很簡單，就是將數據域的第一個字節(jié)當作編號，這樣原來每幀CAN報文最多可傳輸8個字節(jié)內容，由于現在被編號占用了1個字節(jié)，只能傳輸7個字節(jié)。由于編號范圍為1~255，所以多幀傳輸的最大數據長度是255×7=1785個字節(jié)。最后一幀報文實際需要傳輸的內容可能不足7字節(jié)，剩余字節(jié)要全部設置為0xFF。比如一共要傳輸9個字節(jié)，第一幀CAN報文傳輸了7個字節(jié)，第二幀CAN報文只能傳輸2個字節(jié)，這樣加上1個編號字節(jié)，還剩5個字節(jié)，這5個字節(jié)要全部設置為0xFF。發(fā)送數據時，按照編號把數據拆裝成多幀報文；接收數據時，則按照編號重新組裝成完整的數據。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計45（4）參數組編號（PGN）參數組編號唯一標識一個參數組，在通信過程中起到“索引”的作用，表征報文的內容和用途，確定報文的類型和傳播數據需要的幀數目。可以理解為同類（或者有共同特征的設備）參數的集合的索引。SAEJ1939中的PGN格式規(guī)定如下（以pgn61443為例）：2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計46pgn61443：ElectronicEngineController#2–EEC2–TransmissionRepetitionRate：50ms —>報文發(fā)送周期DataLength：8Bytes —>數據域長度（CAN擴展幀中的數據域字節(jié)數）DataPage：0 —>數據頁（PGN中的數據頁DP）PDUFormat：240 —>PDU格式：PDU1（PF<240）和PDU2（PF：240~255）PDUSpecific：3 —>PDU特定域（PF<240，DA；240≤PF≤255，組擴展）DefaultPriority：3 —>優(yōu)先級ParameterGroupNumber：61443（0x0F003)—>PGNpgn61443數據域包含的SPN格式定義的解釋：2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計47起始位置長度SPN參數名稱SPN1.12bitsAcceleratorPedalLowIdleSwitch（加速踏板低怠速開關）5581.32bitsAcceleratorPedalKickdownSwitch（加速踏板踩下開關）5591.52bitsRoadSpeedLimit（道路速度限值）143721byteAcceleratorPedalPosition（加速踏板位置）9131bytePercentLoadatCurrentSpeed（當前車速的百分比載荷）9241byteRemoteAccelerator（遠程加速器）974（5）可疑參數編號（SPN，SuspectParameterNumber）J1939-71不僅對PGN做了詳細的規(guī)定，對SPN也做了詳細的規(guī)定，并對每個參數做了編號。SAEJ1939中的SPN格式規(guī)定如下（以SPN91為例）：2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計48SPN91–AcceleratorPedalPosition（加速踏板位置）–

Theratioofactualacceleratorpedalpositiontomaximumpedalposition.

AlthoughitisusedasaninputtodeterminetransmissionandASRalgorithmsaboutdriver’sactions.DataLength：1Bytes —>SPN號對應的數據的長度Resolution：0.4%/bit,0offset —>比例系數和偏移量DataRange：0to100% —>數據范圍（涉及偏移量計算）Type：Measured —>測量值SuspectParameterNumber：91 —>SPN號ParameterGroupNumber：[61443] —>隸屬的PGN號總線數值與物理數值之間轉換為：

總線數值=（物理數值-偏移量）/比例系數其中：比例系數代表單位總線數值（二進制1）代表的物理數值大?。?/p>

偏移量代表總線數值為0時物理數值的大小。進一步理解PGN和SPN，以PGN65213為例進行詳細說明2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計49PGN65213在J1939-71中的詳細描述。假設ECU地址為0x9C，優(yōu)先級為默認值6，且此ECU需要往VCU發(fā)送PGN65213（0xFEBD）。根據定義：P=6，EDP=0，DP=0，PF=0xFE，PS=0xBD，SA=0x9C；則CAN報文ID為

0x18FEBD9C。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計50假如風扇估計的百分比轉速為50%，由于分辨率為0.4%/bit，偏移量為0，則這個字節(jié)的總線數值應為：40%/0.4%=100=0x64。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計51如果風扇當前因發(fā)動機機油溫度過高而運轉，則風扇驅動狀態(tài)為3（0011b）。如果風扇當前轉速為1500rpm，由于分辨率為0.125rpm/bit，偏移量為0，則這兩個字節(jié)的總線數值應為：1500/0.125=12000=0x2EE0。數據域：Byte1=0x64；Byte2=0xF3；Byte3=0xE0，Byte4=0x2E；Byte5=Byte6=Byte7=Byte8=0xFF。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計523．J1939的整車通信協議2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計53根據應用場合的不同，節(jié)點數目可以相應的增加或減少。例如，純電動汽車的節(jié)點包括：整車控制器、電控制動（EBS）控制器、電池管理系統(tǒng)、驅動電機控制器、駕駛室顯示器、電機控制器、ISG控制器、BMS電池管理系統(tǒng)、超級電容控制器等。各ECU源地址定義ECU名稱地址ECU名稱地址發(fā)動機控制器0整車控制器208傳動系統(tǒng)（變速器）控制器3燃料電池控制器209電控制動（EBS）控制器11AMT控制器210發(fā)動機緩速器15超級電容控制器211驅動系統(tǒng)緩速器16DC-DC#1214組合儀表23DC-DC#2215行車記錄儀24氫氣供應系統(tǒng)216車身33電動助力轉向系統(tǒng)217PTO動力輸出裝置36驅動電機控制器#1239車輛智能中心39驅動電機控制器#2240駕駛室顯示器40驅動電機控制器#3241排氣緩速器41ISG控制器242車載診斷系統(tǒng)43電池管理系統(tǒng)#1243轉速表238電池管理系統(tǒng)#2244故障診斷（售后服務工具）249電池管理系統(tǒng)#3245

電池管理系統(tǒng)#42462023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計54表6-12ECU節(jié)點名稱及其分配地址（2）各ECU輸出參數定義根據汽車所需要實現的控制功能，定義各個節(jié)點的輸出參數，包含節(jié)點所有需要處理或發(fā)送到總線上的信號，并對信號的地址、刷新率、信號類型、信號數據長度、數據范圍、分辨率等進行定義。表6-13給出了整車控制器的部分參數信息。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計55信號名稱類型刷新率/ms分辨率數據長度/bit數據范圍偏移量目標地址整車控制器狀態(tài)狀態(tài)值100-2工作/未工作-廣播車輛運行模式狀態(tài)值10-4普通/動力/雪地/高速-廣播目標氣門開度測量值100.4%/bit80~100%0廣播發(fā)動機啟動控制狀態(tài)值10-2啟動/未啟動-廣播發(fā)動機目標轉速測量值100.125r/min/bit160~8031.876r/min0發(fā)動機發(fā)動機目標轉矩百分比測量值101%/bit8-125%~125%-125%發(fā)動機……表6-13整車控制器的部分參數信息（3）各ECU參數組定義表6-14中給出了列出了整車控制器的參數組信息。整車控制器的參數組用于實現汽車動力總成系統(tǒng)中各控制單元間的協調控制與管理，例如通過VCU1參數組，整車控制器節(jié)點向發(fā)動機控制器節(jié)點發(fā)送速度和轉矩控制信息。而其他控制器節(jié)點主要用于對整車控制器節(jié)點的反饋信息，例如電機控制器的MC1參數組中定義了電機上電/斷電請求、電機工作狀態(tài)、電機運行模式、電機運轉轉矩、電機運轉轉速等信息。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計56參數組刷新率/msPGNPPFPSVCU1：整車控制器#1106169632410VCU2：整車控制電動機106169732411VCU3：整車控制燃料電池506169832412VCU4：整車控制ISG206169932413VCU5：整車控制DC-DC506170032414VCU6：整車控制電池1006170132415VCU7：整車控制超級電容506170232416VCU8：整車控制制動需求106170332417VCU9：整車控制開關繼電器50061777324181VCU10：整車控制器產品序列需要時發(fā)送617963241100表6-14整車控制器的參數組信息XEP100的SAEJ1939應用實例【例6-4】基于J1939的報文收發(fā)。2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計57“can.h”代碼：structcan_msg //發(fā)送報文的結構體{unsignedlongid;BoolRTR;unsignedchardata[8];unsignedcharlen;unsignedcharprty;};2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計58“can.c”代碼：voidINIT_CAN0(void);BoolMSCAN0SendMsg(structcan_msgmsg);BoolMSCAN0GetMsg(structcan_msg*msg);#include<hidef.h>#include"derivative.h"#include"CAN.h"/*===初始化CAN0===*/voidINIT_CAN0(void){if(CAN0CTL0_INITRQ==0) //查詢是否進入初始化狀態(tài)

CAN0CTL0_INITRQ=1; //進入初始化狀態(tài)

while(CAN0CTL1_INITAK==0); //等待進入初始化狀態(tài)

CAN0BTR0_SJW=0; //設置同步

CAN0BTR0_BRP=7; //設置波特率

CAN0BTR1=0x1c; //設置時段1和時段2的Tq個數，總線頻率為250kb/sCAN0IDMR0=0xFF;CAN0IDMR1=0xFF;CAN0IDMR2=0xFF;CAN0IDMR3=0xFF;//這里關閉濾波器

CAN0IDMR4=0xFF;CAN0IDMR5=0xFF;CAN0IDMR6=0xFF;CAN0IDMR7=0xFF;CAN0IDAC0=0xFF;CAN0IDAC1=0xFF;CAN0IDAC2=0xFF;CAN0IDAC3=0xFF;//這里關閉校驗器

CAN0IDAC4=0xFF;CAN0IDAC5=0xFF;CAN0IDAC6=0xFF;CAN0IDAC7=0xFF;CAN0CTL1=0xC0; //使能MSCAN模塊，設置為一般運行模式、使用總線時鐘源

CAN0CTL0=0x00;//返回一般模式運行

while(CAN0CTL1_INITAK); //等待回到一般運行模式

while(CAN0CTL0_SYNCH==0); //等待總線時鐘同步

CAN0RIER_RXFIE=0; //禁止接收中斷}2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計59/*===CAN0發(fā)送===*/BoolMSCAN0SendMsg(structcan_msgmsg){unsignedcharsend_buf,sp;if(msg.len>8)return(FALSE); //檢查數據長度

if(CAN0CTL0_SYNCH==0) //檢查總線時鐘

return(FALSE);send_buf=0;do{ //尋找空閑的緩沖器

CAN0TBSEL=CAN0TFLG;send_buf=CAN0TBSEL;}while(!send_buf);CAN0TXIDR0=(unsignedchar)(msg.id>>21); //寫入標識符

CAN0TXIDR1=(((unsignedchar)(msg.id>>13))&0xe0)|0x18|(((unsignedchar)(msg.id>>15))&0x07);CAN0TXIDR2=(unsignedchar)(msg.id>>7);CAN0TXIDR3=((unsignedchar)(msg.id<<1));if(msg.RTR) //RTR=陰性

CAN0TXIDR3|=0x01;for(sp=0;sp<msg.len;sp++) //寫入數據*((&CAN0TXDSR0)+sp)=msg.data[sp];CAN0TXDLR=msg.len; //寫入數據長度

CAN0TXTBPR=msg.prty; //寫入優(yōu)先級

CAN0TFLG=send_buf; //清TXx標志(緩沖器準備發(fā)送)return(TRUE);}2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計60/*===CAN0接收===*/BoolMSCAN0GetMsg(structcan_msg*msg){unsignedcharsp2;if(!(CAN0RFLG_RXF))return(FALSE); //檢測接收標志

if(!CAN0RXIDR1_IDE) //檢測CAN協議報文模式（一般/擴展）標識符

return(FALSE);msg->id=(((unsignedlong)CAN0RXIDR0)<<21)|((unsignedlong)(CAN0RXIDR1&0xe0)<<13)|\((unsignedlong)(CAN0RXIDR1&0x07)<<15)|(((unsignedlong)CAN0RXIDR2)<<7)|\((unsignedlong)(CAN0RXIDR3&0xfe)>>1);//Freescale與J1939的ID結構不完全一致。需要做調整

if(CAN0RXIDR3&0x01)msg->RTR=TRUE;elsemsg->RTR=FALSE;msg->len=CAN0RXDLR; //讀取數據長度

for(sp2=0;sp2<msg->len;sp2++) //讀取數據

msg->data[sp2]=*((&CAN0RXDSR0)+sp2);CAN0RFLG=0x01; //清RXF標志位(緩沖器準備接收)return(TRUE);}2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計61/*===中斷接收函數===*/#pragmaCODE_SEG__NEAR_SEGNON_BANKEDvoidinterruptCAN_receive(void){if(MSCAN1GetMsg(&msg_get)){if(msg_get.id==ID&&(!msg_get.RTR)) //接收新信息

{LEDCPU=~LEDCPU;datain=1;}}}#pragmaCODE_SEGDEFAULT2023/11/28汽車嵌入式系統(tǒng)設計62“main.c”中相關部分：#defineID0x0CF00400 //發(fā)送標識符#definedata_len_TX8 //發(fā)送數據長度structcan_msgmsg_send,msg_get;unsignedchardatain=0;msg_send.id=ID;//發(fā)送報文

for(k=0;k<data_len_TX;k++){msg_send.data[k]=senddata[k];}msg_send.len=data_len_TX;msg_send.RTR=FALSE;msg_send.prty=0;if(!MSCAN0SendMsg(msg_send)){ //發(fā)送過程出現錯誤

…; //錯誤處理代碼}6.5LIN總線6.5.1LIN總線協議LIN（LocalInterconnectNetwork，本地互聯網絡）總線是一種單線串行通信網絡；LIN設計目標：為現有汽車