基于AVR的CAN总线通信协议分析技术.pdf

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1、第 16卷 第 1期2007年 1月 云南民族大学学报(自然科学版)Journal of Yunnan Nationalities University(Natural Sciences Edition)Vo.l 16 No.1Jan.2007*收稿日期:2006-09-21.作者简介:田野(1984),男,硕士研究生,主要从事嵌入式通信系统的学习与研究.通讯作者:孟传良(1950),男,教授,主要从事嵌入式通信系统研究.基于 AVR的 CAN总线通信协议分析技术田 野 张 威 高 亮 孟传良(贵州大学 电子科学与信息技术学院,贵州 贵阳 550003)摘 要 介绍了一种基于 AVR单片机的

2、CAN总线通信协议分析技术.采用逻辑分析仪先分析 CAN 总线上主机对各节点进行控制所产生的不同问答数据的含义.再使用 AVR单片机 ATmega168L控制独立的 CAN控制器 MCP2510对 CAN 总线上的报文进行监听,并通过上位机传输给 PC机显示.结合 CAN总线规范及先前分析的问答数据的定义,通过 PC机上显示的报文对协议进行完整的分析.关键词 CAN 总线;AVR;上位机 SPI【中图分类号】TN915104【文献标识码】A【文章编号】1672)8513(2007)01-0052-03The Technology ofAnalyzing CAN-Bus ProtocolBase

3、d on AVRT ianYe ZhangW ei Gao L iang Meng Chuanliang(Faculty of Electronics and Infor mation Technology,GuizhouUniversity,Guiyang,550003,China)Abstract:The paper introduces the technology of analyzing CAN-bus protocolbased on AVR.The definition ofdifferent data on the CAN bus can be analyzed by the

4、logic analyzer.By AVR Silgle-chip ControlsMCP2510mo-nitoring the message on theCAN,themessagew illbe displayed on the PC screen by the upper-computer.Throughthem essage,the protocol can be completely analyzed.Key words:CAN-busAVR;Upper-computer SPI1 CAN总线规范概述CAN(controller area network),即控制器局域网,是一种串

5、行通信协议,具有较高的安全性能及错误处理能力.作为一种可靠,高效及经济的平台,CAN总线凭借诸多优点广泛应用于汽车系统、机械设备、工业控制等分布实时系统中,取代了传统控制系统中复杂的接线配线.成为目前广泛使用的现场总线之一.但是,国内一些厂家在开发网络产品时缺乏 CAN总线标准化的指导,导致不同网络产品互不兼容,削弱了不同产品之间的互操作性 1.特别是在 CAN总线的应用最为广泛汽车行业,由于不同汽车生产厂家对产品的 CAN总线上数据含义的定义各不相同且不对外公开,使得对不同汽车的性能进行诊断变得异常困难.因此对 CAN总线通信协议进行分析尤为重要.目前所使用的 CAN总线规范 V210版本主

6、要由A,B两部分组成.A部分即 CAN规范 V112版本,其采用的地址范围由 11个识别位定义,即标准格式.B部分包括标准格式和扩展格式,后者为应对地址范围扩大而制定的 29个识别位格式.标准格式与扩展格式的区别在于扩展格式使用了 CAN112版本中的第一个保留位,因而扩展格式仍是有效的.为了兼容 CAN210,规定 CAN设备应采用 CAN210中的 A或 B部分 2.2 CAN总线通信协议分析2.1 协议分析原理CAN总线被细分为三个不同的层次:对象层(object layer)、传输层(transfer layer)和物理层(phy-ical layer).对象层和传输层相当于 ISO/

7、OSI模型定义的数据链路层.对象层的作用包括:查找被发送的报文;确定由实际要使用的传输层接收哪一个报文;为应用层相关硬件提供接口.这里的定义对象处理较为灵活.传输层的作用主要是传送规则,也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障52界定.总线上什么时候开始发送新报文及什么时候开始接收报文,均在传输层里确定.所以传输层的修改是受到限制的.物理层的作用是在不同节点之间根据其电气属性进行位信息的实际传输.在选择物理层方面比较自由 2.对 CAN总线的协议分析主要有以下三个步骤:1)使用逻辑分析仪对特定网络产品的 CAN总线上主机对各节点控制所产生的问答数据进行分析.从中可以获得主机与节点之

8、间通信的波特率,以及数据所表示的含义.如在汽车系统中,那个数据表示引擎,那个数据表示出现故障等.2)设计出基于 AVR的单片机系统.AVR单片机对 CAN总线上的报文进行监听.并通过上位机送 PC机显示.获取主机与各节点的所有问答数据.3)对获取的问答数据根据 CAN总线规范及先前用逻辑分析仪所获取的数据含义表进行完整分析该系统的 CAN总线协议.2.2 协议逻辑分析CAN总线能够使用双绞线、光纤等多种物理介质,最常用的是双绞线.信号使用差分电压传送,两条信号线被称为/CAN_ H0和/CAN_L0,静态时均是215V左右.此时状态表示为逻辑/10,也可以叫做/隐性0.用 CAN_ H 比 C

9、AN_L高表示逻辑/00,称为/显形0,此时,通常电压值为:CAN _H=315V和CAN_L=115V 4.如图 1所示.将逻辑分析仪中两个通道分别接到要分析系统的/CAN_ H0和/CAN_L0两条差分电压信号线上.调整好采样速率、灵敏度电压、触发电平等,就可以开始分析.当逻辑分析仪的两个通道的数据为 11时,则表示 CAN总线上这一时段传输的数据是 1;当逻辑分析仪的两个通道的数据为 10时,则表示 CAN总线上这一时段传输的数据为 0.由此主机与 CAN线上不同节点的问答数据就能以 10或 11的形式保存在逻辑分析仪的存储器中.调用这些数据,转化为16进制,根据 CAN 总线规范就可以

10、分析出该系统CAN总线上不同数据的含义.如系统的波特率、系统如何初始化、系统中不同节点的 ID标识等.2.3 报文监听硬件设计仅仅运用逻辑分析仪对 CAN 总线上的数据进行分析是不够的.因为 CAN 总线的速率可达 1Mbit/s,仅凭人工进行运算将产生量大而且繁琐的问题.在前期对 CAN总线一些基本数据分析完毕的情况下,可采用在 CAN 总线控制器的支持下 AVR单片机监听总线上数据.监听任务由 CAN 网络控制器完成,监听所获得的数据传输给 AVR单片机进行处理后通过上位机送 PC机显示 3.上位机可采用VB或 Delphi编程,也可采用现成的串口调试工具,如图 2.主控制器采用 ATME

11、L 公司的 ATmega64L,它具有丰富的引脚及较高的处理速度.通信接口 CAN总线控制器采用 M icrochip公司出品的 CAN总线控制器 MCP2510及 PH ILIPS公司出品的 CAN总线驱动器 PCA82C250构成(图 3).PCA82C250总线驱动器与系统物理总线相连,具有差分发射和接收能力,作为 MCP2510总线控制器和系统物理总线之间数据发送信号和数据接收信号媒介交互.MCP2510总线控制器负责报文的发送、接收、过滤等工作,是CAN 总 线 接 口 控 制 板 的 核 心 器 件.它 支 持CAN210A/B技术规范,能够发送和接收标准和扩展报文,同时具备验收过

12、滤以及管理功能.该器件包含三个发送缓冲器和两个接收缓冲器,减少了 AVR的管理负担.MCP2510通过 SPI接口与 ATmega64L进行数据通信 4.2.4 报文监听软件设计为实现 SPI同步通信方式,可将 AVR单片机设为主动方式,将 MCP2510设为从动方式,发送和接收数据共用一个缓冲区.缓冲区采用循环队列的形式进行组织,由一指针指向它,AVR单片机每发送一个数据就与 MCP2510交换数据,将其放入同一个存储单元即可.CAN总线控制器 MCP2510负责完成总线通信协议的物理层和数据链路层的功能.MCP2510作为AVR单片机的 SPI的一个从设备,AVR需要报文发送的时候,可以设

13、置 MCP2510相应寄存器,将相应位置低或发送相应命令,启动报文的发送.此时,发送的报文将写入发送缓冲区并进行一次发送请求,即可完成一次发送过程.当总线驱动器 PCA82C250收到数据时,启动一次 AVR单片机的外中断,或由 AVR单片机定时查询收发器上的状态位,然后通过 SPI串行口访问 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 总线通信协议分析技术对 CAN总线报文读写、控制操作.同时将报文通过上位机传送到 PC机上显示出来.2.5 报文分析对 PC机显示的数据可以根据 CAN总线规范进行分析.显示结果由标识符 I D和数据构成.标识符

14、为 11个或 29个识别位.数据由 0到 8个字节组成.根据网络产品对协议中数据的不同定义,就可以对CAN总线上的协议进行完整的分析.表 1给出了一段时间内 CAN总线上报文数据流.可以看出,0B2,2D2,025,0B0,2C4,223,224,2C1,2D0,2D2这些是报文的标识符,有 11个识别位,属于 CAN总线规范中的标准格式.后面的数据为 0到 8个字节.0B2,025,0B0周期性的出现,说明了主机与节点正在进行问答控制.表 1 CAN总线报文数据流I DCAN Data0B20048004800002D20002500A20000000000CF0B0004800480000

15、2C4000000200080218F0B2004800480000223000000000000002D224000000000000000002500A20000000000CF2C10805832806EC00750B000480048000B200480048002D000000800100000F202500A20000000000CF0B00048004800002C4000000200080218F2D200参考文献:1 杜钢,王宁会.CAN 总线网络协议分析仪的软硬件设计 J.电工技术杂志,2003(2):20-22 2 周立功单片机.CAN-bus规范 V210版本 S.广州发展有限公司.3 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计 M.北京:北京航空航天大学出版社,1996.4 姚凯学,孟传良.单片机原理及应用 M.重庆:重庆大学出版社,1998.5 王晓英,罗红波.基于 CAN总线的高低温试验箱监控系统 J.微计算机信息,2005(5):26-27.(责任编辑 高 飞)54云南民族大学学报(自然科学版)第 16卷