1、 电气信息工程丛书 CAN 总线技术与应用系统设计 龙志强 李晓龙 窦峰山 郝阿明 编著 机 械 工 业 出 版 社 本书根据作者多年来从事CAN 总线教学和科研实践经验编写而成。在介绍 CAN 总线基本概念、技术规范基础上，介绍了 CAN 总线控制器 SJA1000和典型 CAN 总线驱动器的应用，详细介绍了 3 种典型的具有 CAN 总线接口的微处理器及应用，重点对CAN 总线与计算机的接口进行了分析与设计，论述了CAN总线的工程应用，给出了CAN总线的应用层协议，最后介绍了CAN总线的工程应用案例。书中所给出的相关原理图和示例程序可供读者应用时参考，这些资料已通过了实践验证。每章配有习题
2、，以指导读者进行深入的学习。本书不仅可供有关工程技术人员参考，也可作为自动化专业高年级本科生、相关专业控制类研究生的教材。图书在版编目（CIP）数据 CAN 总线技术与应用系统设计/龙志强等编著.北京：机械工业出版社，2013.4（电气信息工程丛书）ISBN 978-7-111-41867-2.C .龙 .总线系统设计 .TP336 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2013）第 053728 号 机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：时 静 责任编辑：时 静 崔利平 责任印制：杨 曦 北京诚信伟业印刷有限公司印刷 2013 年 4 月第 1 版第 1
3、次印刷 184mm260mm17 印张418 千字 00013500册 标准书号：ISBN 978-7-111-41867-2 定价：39.90元 凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换 电话服务 网络服务 社 服 务 中 心：（010）88361066 教 材 网：http：/ 销 售 一 部：（010）68326294 机工官网：http：/ 销 售 二 部：（010）88379649 机工官博：http：/ 读者购书热线：（010）88379203 封面无防伪标均为盗版 III 前 言 CAN 是控制器局域网络（Controller Area Network）的简称，它属于现场
4、总线的范畴，是一种能有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，并于 1993 年成为国际标准（ISO 11898）。由于 CAN 总线的良好性能和独特设计，越来越受到人们的重视，尤其在汽车领域上的应用最广泛，世界上一些著名的汽车制造厂商，大都采用了 CAN 总线来实现汽车内部的控制系统、检测和执行机构间的数据通信。同时，由于 CAN 总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向企业自动化、航空、航天、航海、机械工业、纺织机械、农用机械、工程机械、机器人、数控机床、医疗器械以及军事装备等领域发展，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。本书根据作者 10 多年来从事 CAN 总线教
5、学和科研实践经验编写而成，书中 CAN 总线基础的部分内容（主要为第 2、3 章）在作者编写的现场总线控制网络技术（机械工业出版社出版）中已经有部分介绍，考虑书稿内容的完整，本书引用并扩充了这些部分的内容。作者从 1999 年开始接触并应用 CAN 总线，并将 CAN 总线及其网络控制技术引入本科生和研究生的课堂教学或实践教学中，由于当时 CAN 总线方面教材缺乏，着手编写了 CAN 总线的内部讲义，并使用了近 10 年；目前在 CAN 总线领域已经出版了 20 多本各种层次、各具特色的专著或教材，另外周立功公司在其网站上也公布了他们整理或翻译的许多 CAN 总线资料，这些内部讲义和资料为本书
6、的编写提供了参考。在作者的科研工作中长期应用 CAN总线，也开发了多种 CAN 总线的计算机接口卡，这些接口卡不仅在自己课题组使用，也在全校范围内进行了推广共享，积累了有益的经验，也有了一些新的研发体会。因此，本书在编写过程中，不仅强调由浅入深，逐步介绍 CAN 总线的基本概念和理论，更是着眼系统讲技术，通过典型系统或案例的分析，让读者能够尽快熟悉并达到会应用的程度，书中的原理图和示例程序读者可以进行参考，希望这些开发实例能对读者有所帮助。本书研究内容和典型案例主要由本研究所老师和学生的研究成果整理而成，但也参考了许多前人成果，在参考文献中也力求详细给出，可能不一定全面，在这里对有关作者表示歉
7、意。CAN 总线技术发展迅速且应用越来越广泛，由于某些新技术、新应用作者未作深入研究，也就不便录入。希望书中涉及的一些共性技术和设计方法能对读者起到抛砖引玉的作用。本书由龙志强主编并统稿；第 6 章、第 8 章和 1.2 节由李晓龙负责编写；5.1 节和 5.2 节由窦峰山负责编写；5.3 节和 6.6 节由郝阿明负责编写；其余章节由龙志强编写。为了尽可能给读者呈现更多的 CAN 总线在工业控制领域的应用实例，龚云生同志为本书的第 9.5 节提供 IV 了 CAN 总线在工业控制领域的应用实例。本书在完稿过程中得到了作者研究生们的大力支持，除本书的作者外，陈杨、吴军、薛松、戴春辉、何宁、宋香磊
8、、张大鹏、冯奕陆、谭庆龙等先后参加书中的案例实验和科研项目的研发工作，在此致以衷心的感谢。还要特别感谢机械工业出版社，正是他们的大力支持才使本书顺利出版。由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，请读者见谅，并提出宝贵意见。龙志强 V 目 录 前言 第 1 章 绪论1 1.1 概述1 1.1.1 现场总线概念1 1.1.2 现场总线的产生1 1.1.3 现场总线的技术特点2 1.1.4 现场总线的技术标准3 1.2 现场总线技术基础4 1.2.1 数据通信技术基础4 1.2.2 网络拓扑12 1.2.3 网络的传输介质14 1.2.4 网络传输的介质访问控制方式17 1.2.5 现场总线通信模型
9、18 1.3 CAN 总线基础知识19 1.3.1 CAN 总线的发展历程19 1.3.2 CAN 总线的通信方式20 1.3.3 CAN 总线的技术特点21 1.4 本章小结22 思考题与习题22 第 2 章 CAN 总线技术及其协议规范 23 2.1 CAN 总线技术及其协议规范概述23 2.2 CAN 总线的系统构成23 2.2.1 CAN 总线的系统组成24 2.2.2 CAN 总线的拓扑结构24 2.2.3 CAN 总线的传输介质26 2.3 CAN 总线通信参考模型26 2.4 CAN 总线报文的传送27 2.5 CAN 总线报文的帧结构28 2.6 CAN 总线报文的编码、滤波和
10、校验33 2.7 CAN 总线报文的优先级确定问题34 2.7.1 CAN 总线的仲裁过程34 2.7.2 数据帧和远程帧的优先级34 2.7.3 标准格式和扩展格式的优先级34 VI2.8 CAN 总线错误处理35 2.9 CAN 总线故障界定35 2.9.1 故障界定方法36 2.9.2 错误计数规则36 2.10 CAN 总线的位定时37 2.11 CAN 总线的位同步38 2.12 本章小结39 思考题与习题39 第 3 章 CAN 总线控制器 SJA1000 及其应用 41 3.1 SJA1000 概述41 3.2 SJA1000 的内部结构及其控制模块 43 3.3 SJA1000
11、 基本模式下的寄存器44 3.3.1 基本模式下的寄存器44 3.3.2 基本模式下的控制寄存器45 3.3.3 基本模式下的数据段寄存器47 3.4 SJA1000 扩展模式下的寄存器48 3.4.1 扩展模式下的寄存器48 3.4.2 扩展模式下的控制寄存器54 3.4.3 扩展模式下的数据段寄存器62 3.5 两种模式的公共寄存器66 3.6 SJA1000 的读写时序分析71 3.7 基于 51 系列单片机的 CAN 智能节点设计72 3.7.1 硬件设计72 3.7.2 软件设计73 3.8 本章小结75 思考题与习题75 第 4 章 典型 CAN 总线驱动器76 4.1 CAN 总
12、线驱动器概述76 4.2 CAN 总线驱动器 PCA82C250/25176 4.2.1 PCA82C250/251 的主要特性77 4.2.2 PCA82C250/251 的基本性能77 4.2.3 PCA82C250/251 的功能描述79 4.2.4 PCA82C250/251 的典型应用80 4.3 高速 CAN 总线驱动器 TJA104082 4.3.1 TJA1040 的主要特性82 4.3.2 TJA1040 的基本性能82 4.3.3 TJA1040 的功能描述84 4.3.4 TJA1040 的典型应用85 4.4 高速 CAN 总线驱动器 TJA105086 VII 4.4
13、.1 TJA1050 的主要特性86 4.4.2 TJA1050 的基本性能86 4.4.3 TJA1050 的功能描述87 4.4.4 TJA1050 的典型应用88 4.5 几种典型的 CAN 总线驱动器的比较89 4.5.1 应用方面的区别90 4.5.2 引脚的区别90 4.5.3 工作的模式区别91 4.6 本章小结92 思考题与习题93 第 5 章 具有 CAN 总线接口的微处理器及应用94 5.1 C8051F 系列单片机的 CAN 接口及其应用94 5.1.1 C8051F50X 系列单片机介绍94 5.1.2 C8051F50X 内部 CAN 控制器介绍95 5.1.3 C8
14、051F50X 内部 CAN 寄存器介绍98 5.1.4 基于 C8051F500 的 CAN 硬件设计100 5.1.5 基于 C8051F500 的 CAN 软件设计101 5.2 TMS320F28335 DSP 的 CAN 接口及其应用105 5.2.1 TMS320F28335 介绍105 5.2.2 TMS320F28335 内部 eCAN 控制器介绍106 5.2.3 TMS320F28335 内部 eCAN 寄存器介绍108 5.2.4 基于 TMS320F28335 的 CAN 硬件设计 113 5.2.5 基于 TMS320F28335 的 CAN 软件设计 114 5.3
15、 基于 ARM CortexTM-M3 内核的 STM32F107 微控制器 CAN 接口及其应用 118 5.3.1 STM32F107 芯片介绍 118 5.3.2 STM32F107 的 CAN 控制器概述 118 5.3.3 STM32F107 的 CAN 控制器操作120 5.3.4 基于 STM32F107 的 CAN 硬件设计122 5.3.5 基于 STM32F107 的 CAN 软件设计123 5.4 本章小结125 思考题与习题125 第 6 章 CAN 总线与计算机的接口设计 126 6.1 PC-104 总线 CAN 接口卡设计126 6.1.1 PC-104 总线介绍
16、126 6.1.2 硬件电路设计说明128 6.1.3 PC-104 接口卡软件设计132 6.2 ISA 总线 CAN 接口卡设计142 6.2.1 ISA 总线简介142 VIII 6.2.2 硬件电路设计说明143 6.2.3 ISA 接口卡软件设计148 6.3 PCI 总线 CAN 接口卡设计153 6.3.1 PCI 总线简介153 6.3.2 硬件电路设计说明154 6.3.3 PCI 接口卡软件设计155 6.4 PC 并行端口与 CAN 接口设计166 6.4.1 PC 并行端口简介166 6.4.2 基于 EPP 模式的接口电路设计169 6.4.3 并口接口卡软件设计169 6.5 USB 总线与 CAN 接口设计180 6.5.1 USB 总线简介180 6.5.2 硬件电路设计说明180 6.5.3 USB 接口卡软件设计181 6.6 以太网与 CAN 接口设计191 6.6.1 以太网简介191 6.6.2 硬件电路设计说明192 6.6.3 以太网接口卡软件设计194 6.7 本章小结198 思考题与习题198 第 7 章 CAN 总线的工程应用问题19