【奥迪tts保养怎么复位】定时原子先驱NiosII资料连载第20章CAN通信实验

1)实验平台：定时原子开拓者FPGA开发版。

(2)从摘自《开拓者 Nios II开发指南》的官方微信号公众号中获取更多信息：定时原子。

3)完整实验源手册视频下载地址：

第20章CAN通信实验

现场总线技术是自动控制领域的后起之秀，成本低，容易利用现有的数字化和互联网。

网络技术的新成果具有改造系统等特点，顺应了当今时代数字化、模块化、网络化的发展。

朝向。CAN总线是现场总线系列中最有希望的现场总线之一，在汽车产业、工艺产业、机械工

在产业、机器人、建筑物自动化等领域发挥着重要作用。在本章中，您将学习使用CAN总线。本章介绍了

下一章：

20.1简介

20.2实验任务

20.3硬件设计

20.4软件设计

20.5下载验证

简介

20世纪80年代以来，汽车ECU越来越多，包括ABS、电控门、电子燃油喷射装置等。比如说，

如果仍然采用一般的点对点布线方式，即电线一端连接到开关，另一端与电气设备相通。

汽车的电线数量急剧增加，线束的冗余和维修成本增加了。此外，现在的蒸汽

汽车业界因对安全性、舒适性、便利性、低污染、低成本的要求，进行了多种电子控制

系统开发出来了。因为这些系统之间通信使用的数据类型和可靠性要求不同。

对汽车的线束分布及信息通信提出了更高的要求。CAN总线技术应运而生。

CAN是控制器区域网络(控制器LAN)的缩写，是ISO国际标准化的基于消息的

广播模式下的串行通信协议实时共享信息，传统布线方式下线束较多，布线可行。

困难、费用高的问题。德国汽车电子产品开发和生产著名的BOSCH开发并多次修改。

1991年9月，形成了由2.0A(11位标准帧格式)和2.0B(29位扩展)组成的技术规范版本2.0

框架)两部分。此后，CAN通过ISO11898和ISO11519进行了标准化，其中ISO11898是关于通信速度的。

这是125Kbps到1Mbps的高速通信标准，而ISO11519用于125Kbps以下的低速通信

标准。在欧洲，CAN已经是汽车网络的标准协议。

图20.1.1 CAN汽车网络拓扑结构

目前，CAN的高性能和可靠性已经得到承认，并广泛用于工业自动化、船舶、医疗设施。

准备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被称为自动化领域

计算机局域网。它的出现通过分布式控制系统，实现了节点之间实时、可靠的数据通信。

强大的技术支持。

CAN协议具有以下特征：

1)多主控制。总线空闲时，所有单元都可以发送消息(多主控制)，3个以上的单个

元同时开始发送消息时，将根据标识符(称为标识符或以下ID)确定优先级。ID不是表示法

发送的大象地址表示访问总线的消息的优先级。两个或多个单元同时开始发送消息

对每个消息ID的每个位执行一次仲裁比较。仲裁胜利(被判定为优先级最高的单位)

如果继续发送信息，仲裁失败的单位将立即停止发送，进行接收工作。

2)系统的灵活性。连接到总线的单元没有类似于“地址”的信息。因此，向总线添加单个

从元连接到总线的其他设备的硬件和软件以及应用层不需要更改。

3)实时性能、远距离传输、快速通信速度(最高1Mbps(距离小于40米)、最高

最长10公里(5Kbps以下)，抗电磁干扰能力强，成本节约优势。

4)提供错误检测、错误通知和错误恢复功能。检测所有单元中的错误(故障检测功能)

是的，检测到错误的单元立即向所有其他单元(错误通知功能)发送消息

如果单元检测到错误，则强制终止当前传输。结束强制关闭的设备将继续重新发送

此消息将一直发送到成功发送为止(故障恢复功能)。

5)关闭故障的功能。CAN可以看出，错误的类型是总线上的临时数据。

错误（如外部噪声

等）还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）。由此功能，当总线上

发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。

6）连接节点多。CAN总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没

有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速

度，可连接的单元数增加；提高通信速度，则可连接的单元数减少。

正是因为CAN协议的这些特点，使得CAN特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来

越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。

下面我们从CAN的基本概念入手，对CAN有一个基本的了解。

一、 总线拓扑图

CAN网络的拓扑一般为线型。线束最常用的是双绞线，其中一根线称为CAN_H，另一根线

称为CAN_L，两根线上传输的是对称的差分电平信号。下图为CAN总线网络示意图：

图 20.1.2 CAN总线网络示意图

CAN总线网络挂在CAN_H和CAN_L，连接在CAN总线上的设备叫做节点设备（CAN Node），

各个节点通过这两条线实现信号的串行差分传输，为了避免信号的反射和干扰，还需要在

CAN_H和CAN_L之间接上120Ω的终端电阻，来做阻抗匹配，以减少回波反射。节点设备主要包

括MCU、控制器和收发器。MCU常集成有CAN控制器，CAN控制器负责处理协议相关功能，以减

轻MCU的负担。CAN收发器将数据传到总线或者从总线接收数据给控制器。

图 20.1.3 120Ω的终端电阻

注：为什么使用120Ω的终端电阻？任何一根线缆的特征阻抗都可以通过实验的方式得

出。线缆的一端接方波发生器，另一端接一个可调电阻，并通过示波器观察电阻上的波形。

调整电阻阻值的大小，直到电阻上的信号是一个良好的无振铃的方波，此时的电阻值可以认

为与线缆的特征阻抗一致。大部分汽车线缆都是单线的，如果采用两根汽车使用的典型线

缆，将它们扭制成双绞线，就可根据上述方法得到特征阻抗大约为120Ω，这也是CAN标准推

荐的终端电阻阻值。

CAN总线分高速CAN和低速CAN，收发器也分为高速CAN收发器（1Mbps）和低速CAN收发器

（125Kbps）。低速CAN也叫Fault Tolerance CAN，指的是即使总线上一根线失效，总线依然

可以通信。我们开拓者使用的TJA1050为高速CAN收发器。

图 20.1.4 CAN收发器

在发送数据时，CAN控制器把要发送的二进制编码通过TXD引脚发送到CAN收发器，然后由

收发器把这个普通的逻辑电平信号转化成差分信号，通过差分线CAN_H和CAN_L输出到CAN总线

网络。接收数据过程则相反。CAN收发器具体的管脚定义如下：

图 20.1.5 管脚定义

二、 CAN 信号表示

CAN总线采用差分信号传输，通常情况下只需要两根信号线就可以进行正常的通信。在差

分信号中，逻辑0和逻辑1是用两根差分信号线的电压差来表示。当处于逻辑1，CAN_H和CAN_L

的电压差小于0.5V，称为隐性电平（Recessive）；当处于逻辑0，CAN_H和CAN_L的电压差大

于0.9V，称为显性电平（Dominant）。

图 20.1.6 高速CAN总线差分信号

典型地，CAN总线为隐性（逻辑1）时，CAN_H和CAN_L的电平都为2.5V（电位差为0V）；

CAN总线为显性（逻辑0）时，CAN_H和CAN_L电平分别为3.5V和1.5V（电位差为2.0V）。在总

线上显性电平具有优先权，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平。而隐形电

平则具有包容的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平。

三、 CAN 协议的帧格式

CAN网络可以配置为使用两种不同的帧格式：标准帧格式（在CAN 2.0A和CAN2.0 B中描

述）和扩展帧格式（仅由CAN2.0 B描述））。两种格式之间的唯一区别是“CAN标准帧”支持

标识符的11位长度，“CAN扩展帧”支持标识符的29位长度，由11位标识符组成（“标准标识

符”）和18位扩展名（“扩展标识符”）。CAN标准帧格式和CAN扩展帧格式之间的区别是通

过使用IDE位来实现的，该位在11位帧的情况下作为显性发送，并且在29位帧的情况下作为隐

性发送。支持扩展帧格式消息的CAN控制器也能够以CAN标准帧格式发送和接收消息。所有帧

都以帧起始（SOF）位开始，该位表示帧传输的开始。

CAN有四种帧类型：

◆ 数据帧：发送单元向接收单元传送数据的帧

◆ 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧

◆ 错误帧：由检测到错误的任何节点发送的帧

◆ 过载帧：在数据或远程帧之间注入延迟的帧

由于篇幅所限，我们这里仅对数据帧进行详细介绍，

数据帧是唯一实际传输数据的帧，结构上由7个段组成，其中根据仲裁段ID码长度的不

同，分为标准帧（CAN2.0A）和扩展帧（CAN2.0B）：

➢ 标准帧格式：具有 11 个标识符位

➢ 扩展帧格式：具有 29 个标识符位

标准数据帧的构成如下图所示：

图 20.1.7 CAN的标准数据帧

数据帧一般由7个段构成，即：

（1）帧起始：表示数据帧开始的段。

（2）仲裁段：表示该帧优先级的段。

（3）控制段：表示数据的字节数及保留位的段。

（4）数据段：数据的内容，一帧可发送0~8个字节的数据。

（5）CRC段：检查帧的传输错误的段。

（6）ACK段：表示确认正常接收的段。

（7）帧结束：表示数据帧结束的段。

对于标准数据帧，格式如下（长度为bit，排列顺序为发送顺序）：

图 20.1.8 标准数据帧格式

对于扩展数据帧，格式如下

图 20.1.9 扩展数据帧格式

标准帧与扩展帧的区别段如下图所示：

图 20.1.10 标准帧与扩展帧的区别段

下面我们具体进行介绍。

帧起始和帧结束：帧起始和帧结束用于界定一个数据帧，无论是标准数据帧还是扩展数

据帧都包含这两个段。

图 20.1.11 数据帧的帧起始和帧结束

仲裁段：仲裁段的内容主要为本数据帧的ID信息。在CAN协议中，ID决定着数据帧发送的

优先级，也决定着其它设备是否会接收这个数据帧。数据帧的标准格式和扩展格式的主要区

别就在于ID信息的长度：标准格式的ID为11位；扩展格式为29位，具体区别如下图所示：

图 20.1.12 数据帧仲裁段构成

标准格式的ID有11个位。其中RTR位用于标识是否是远程帧（0，数据帧；1，远程帧），

IDE位为标识符选择位（0，使用标准标识符；1，使用扩展标识符），SRR位为代替远程请求

位，为隐性位，它代替了标准帧中的RTR位。

控制段：由6个位构成，表示数据段的字节数。标准帧和扩展帧的控制段稍有不同，如下

图所示：

图 20.1.13 数据帧控制段构成

上图中，r0和r1为保留位，必须全部以显性电平发送，但是接收端可以接收显性、隐性及任意组合的电平。DLC段为数据长度表示段，高位在前，DLC段有效值为0~8，但是接收方接

收到9~15的时候并不认为是错误，另外DLC服从BCD8421编码。

数据段：该段可包含0~8个字节的数据。从最高位（MSB）开始输出，标准帧和扩展帧在

这个段的定义都是一样的。如下图所示：

图 20.1.14 数据帧数据段构成

CRC段：该段用CRC校验检查帧传输错误，CRC段由15位的CRC校验值和1位CRC界定符构

成，如下图所示：

图 20.1.15 数据帧CRC段构成

此段CRC的值计算范围包括：帧起始、仲裁段、控制段、数据段。接收方以同样的算法计算CRC值并进行比较，不一致时会通报错误。

ACK段：在该段发送节点发送两个隐性电平位，所有接收到匹配CRC序列（CRC

SEQUENCE）的节点即正确接收到有效的报文的节点会在ACK槽(ACK Slot)期间用一显性电平位

写入发送器的“隐性”位来作出应答。标准帧和扩展帧在这个段的格式也是相同的。如下图

所示：

图 20.1.16 数据帧CRC段构成

ACK槽也称为应答间隙。

ACK界定符：ACK界定符是ACK段的第二位，并且是一个必须为“隐性”的位。因此，应答

间隙（ACK SLOT）被两个“隐性”的位所包围，也就是CRC界定符和ACK界定符。

至此，数据帧的7个段就介绍完了，其他帧的介绍，请大家参考光盘的《CAN入门书》相

关章节。接下来，我们再来看看CAN的仲裁功能是如何实现的。

在总线空闲态，总线上任何节点都可以发送报文，最先开始发送消息的单元获得发送

权。如果有两个或两个以上的节点开始传送报文，那么就会存在总线访问冲突的可能。CAN使

用了标识符的逐位仲裁方法解决了这个问题。

当多个单元同时开始发送时，各发送单元从仲裁段的第一位开始进行仲裁。连续输出显

性电平最多的单元可继续发送。实现过程，如下图所示：

图 20.1.17 总线仲裁图

在仲裁期间，每一个发送器都对发送的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相

同，则这个单元可以继续发送。如果发送的是一"隐性"电平而监视到的是一"显性"电平，那

么这个节点失去了仲裁，必须退出发送状态。

上图中，节点A、B、C同时开始向总线发送数据，开始部分他们的数据格式是一样的，故

无法区分优先级，直到ID的第5位，节点B输出隐性电平，而节点A、C输出显性电平，此时节

点B仲裁失利，立刻转入接收状态工作（只听模式），不再与节点A、C竞争，而节点A、C则继

续仲裁，在ID的第3位节点A输出显性电平,节点C输出隐性电平,此时节点C仲裁失利,立刻转入

接收状态工作,不再与节点A竞争,节点A顺利获得总线使用权,继续发送自己的数据。这就实现

了仲裁,让连续发送显性电平多的单元获得总线使用权。具体的数字化表示如下表：

图 20.1.18 仲裁的数字化表示

从上表我们可以看到，帧ID越小的节点优先级越高；CAN总线采用"线与"的规则进行总

线冲裁，即1&0=0，所以0为显性。同理，由于标准帧的IDE位为显性电平，扩展帧的IDE位为

隐性电平，对于前11位ID相同的标准帧和扩展帧，标准帧的优先级比扩展帧高。

图 20.1.19 前11位相同ID的标准帧比扩展帧优先级高

通过以上介绍，我们对CAN总线有了个大概了解，详细介绍参考光盘的：《CAN入门

书.pdf》。

四、 CAN 总线与 RS485 的比较

CAN总线与RS485都是采用差分信号进行传输，这两者有什么区别呢？

1) 速度与距离：CAN 与 RS485 以 1Mbps 的高速率传输的距离都不超过 100M，可谓高速

上的距离差不多。但是低速 CAN 以 5Kbps 时，距离可达 10KM。而增强型 RS485 收发

器在最低的速率时亦能传输超过 10KM（都无中继），两者在长距离的传输上也难分

伯仲；

图 20.1.20 楼宇自动化

2) 总线利用率：RS485 是单主从结构，就是一个总线上只能有一台主机，通讯都由它发

起的。它没有下命令，下面的节点不能发送，而且要发完即答，受到答复后，主机才

向下一个节点询问，这样是为了防止多个节点向总线发送数据，而造成数据错乱。而

CAN 是多主从结构，每个节点都有 CAN 控制器，多个节点发送时，以发送的 ID 号自

动进行仲裁，这样就可以实现总线数据不错乱，而且一个节点发送完，另一个节点探

测到总线空闲，而马上发送，这样省去了主机的询问，提高了总线利用率，增强了快

速性。所以在汽车等实性要求高的系统，都是用 CAN 总线，或者其他类似的总线；

3) 错误检测机制：RS485 只规定了物理层，而没有数据链路层，所以它对错误是无法识

别的，除非一些短路等物理错误。这样容易造成一个节点破坏了，拼命向总线发数据

（一直发 1），这样造成整个总线瘫痪。所以 RS485 一旦坏一个节点，这个总线网络

都瘫痪。而 CAN 总线有 CAN 控制器，可以对总线任何错误进行检测，自动转换错误

状态，适时关闭总线，进而保护总线。如果检测到其他节点错误或者自身错误，都会

向总线发送错误帧，来提示其他节点。这样 CAN 总线一旦有一个节点程序跑飞了，它

的控制器自动闭锁，保护总线。所以在安全性要求高的网路，CAN 是较好的选择；

4) 器件价格：随着 CAN 总线迅猛发展，目前 CAN 隔离收发器单价大有与 RS485 价格持

平的趋势，RS485 收发器逐渐失去价格优势；

5) 开发难度：CAN 具有完善的通信协议，底层机制由 CAN 控制器芯片及其接口芯片来实现，研发工程师只需要了解面向客户的应用层，从而大大降低了系统的开发难度，缩

短了开发周期。而 RS485 协议仅仅只有电气协议，客户开发需要自己开发链路层和应

用层，开发难度较大。

总结对比：

图 20.1.21 CAN与RS485的比较

实验任务

本章我们的实验任务是：使用两块开拓者开发板实现CAN接口通信功能，并把接收到的数

据显示在数码管上。

硬件设计

在前面的简介部分我们知道一个CAN节点除了需要CAN收发器外还需要CAN控制器，由于

Qsys没有CAN控制器IP核，而CAN控制器设计比较复杂，所以这里我们使用OpenCore网站上的

一个CAN Protocol Controller，网址为；该CAN控制

器具有如下特点：

✓ 非破坏性逐位仲裁（CSMA/CA）

✓ 基于消息的寻址/过滤

✓ 广播通讯

✓ 支持 1 Mbit/Sec 的操作

✓ 提供了 WISHBONE 总线接口和 8051 接口

✓ 兼容 SJA1000 接口。

下面我们用该CAN控制器来实现我们的CAN环回实验。

对于该CAN控制器，最大的方便之处是其兼容SJA1000接口，所以我们可以像使用SJA1000

那样来使用该CAN控制器。那SJA1000是什么呢？

SJA1000是一种独立CAN控制器，用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制

（CAN）。它是PHILIPS半导体PCA82C200 CAN控制器BasicCAN的替代产品，而且增加了一种新

的作模式PeliCAN，这种模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B协议。对于SJA1000 CAN控制器

的具体说明可以参考我们提供的硬件资料的《CAN控制器SJA1000中文资料.pdf》文档。这里

就不多做介绍了。

另外对于该CAN控制器内部的代码由于后面我们直接封装成Qsys IP核使用，而且其提供

了SJA1000的接口，不需要了解其内部的代码逻辑，所以这里我们就不做介绍了。

为了方便使用，我们首先将该CAN控制器封装成Qsys IP核。由于该CAN控制器提供了

WISHBONE总线接口和8051接口，这里我们选用WISHBONE总线接口，使其与Avalon MM总线桥

接。下面我们介绍下如何封装成Qsys IP核。

首先我们在par目录下新建一个my_ip文件夹，接着在my_ip文件夹下新建一个can文件

夹，该文件夹用来放我们定制的CAN IP核文件。如同《自定义IP核—数码管》实验一样，我

们在can文件新建HAL、HDL、inc文件夹，如下图所示：

图 20.3.1 文件夹结构

现在我们将下载下来的（下载需注册OpenCore账号，可以直接用软件资料下的

can_la压缩包文件）CAN控制器压缩文件的trunk/rtl/verilog目录下的CAN控制

器Verilog HDL文件解压到刚才新建的HDL文件夹下，为了使用WISHBONE接口和使用Altera

RAM，我们对其中的can_de文件做如下修改：

图 20.3.2 修改宏定义

即将该两行取消注释，然后我们在该文件夹（HDL）下新建一个can_con文件，

内容如下:

1 module can_controller(

2 //module clock

3 input csi_clk ,

4 input rsi_reset,

5

6 //Avalon MM interface

7 input [7:0] avs_address,

8 input avs_chipselect,

9 input avs_write,

10 input avs_read,

11 input [7:0] avs_writedata,

12 output [7:0] avs_readdata,

13 output avs_waitrequest_n,

14

15 // CAN interface

16 input can_clk, //CAN控制器的操作时钟

17 input can_reset, //CAN控制器复位信号

18 input can_rx, //CAN控制器接收数据引脚

19 output can_tx, //CAN控制器发送数据引脚

20 output can_irq_n, //CAN控制器中断信号

21 output can_clkout //CAN控制器分频时钟输出信号

22

23 );

24

25 //*****************************************************

26 //** main code

27 //*****************************************************

28

29 can_top u1_can_top(

30 //Wishbone interface

31 .wb_clk_i (csi_clk ),

32 .wb_rst_i (rsi_reset | can_reset),

33 .wb_dat_i (avs_writedata[7:0] ),

34 .wb_dat_o (avs_readdata[7:0] ),

35 .wb_cyc_i (avs_write | avs_read ),

36 .wb_stb_i (avs_chipselect ),

37 .wb_we_i (avs_write & ~avs_read),

38 .wb_adr_i (avs_address[7:0] ),

39 .wb_ack_o (avs_waitrequest_n ),

40 //CAN interface

41 .clk_i (can_clk ),

42 .rx_i (can_rx ),

43 .tx_o (can_tx ),

44 .bus_off_on (),

45 .irq_on (can_irq_n ),

46 .clkout_o (can_clkout )

47 );

48

49 endmodule

50

该文件的功能是实现WISHBONE总线接口与Avalon总线接口的桥接。桥接方式可参考下

表：

图 20.3.3 Wishbone => Avalon

图 20.3.4 Avalon => Wishbone

另外对于CAN接口，我们将其封装成SJA1000的接口，clk_i是CAN控制器输入时钟引脚；

rx_i是CAN收发器传给CAN控制器的数据引脚；tx_o是CAN控制器传给CAN收发器的数据引脚；

irq_on中断输出引脚，用于向微控制器传递中断，低电平有效；clkout_o是SJA1000产生时钟

输出信号；bus_off_on没有对应的SJA1000引脚，所以这里就不使用该引脚。

接下来就是将can_con作为顶层文件将整个CAN控制器封装成Qsys IP核，这一步可参照《自定义IP核—数码管》实验。需要注意的是生成的can_con默认是

在par目录下，我们将其移动到can目录下时，需要更改PATH路径，如下图所示：

图 20.3.5 更改路径

当然了如果保持默认的存放位置的话是不用修改的，不过这样以后使用就比较麻烦。

封装成Qsys IP核之后，我们就可以在Qsys中调用了，如同调用PIO IP核一样简单。不

过，现在有一个问题，就是如何配置该CAN控制器IP核呢？

由于该CAN控制器兼容SJA1000 CAN控制器，所以我们可以按照配置SJA1000的方式来配

置。

为了方便以后的使用，下面我们就给该IP核添加寄存器头文件和底层驱动文件。我们将

SJA1000的寄存器列在文件里，该文件放在can/inc目录下。由于内容太长，

我们摘取部分如下图所示：

图 20.3.6 SJA1000寄存器文件

该文件中我们将SJA1000的两种CAN模式——BasicCAN模式和PeliCAN模式的寄存器都列出

来了。默认使用PeliCAN模式，该模式完全支持BasicCAN模式的功能，不过做的更好。另外对

于上图中的“命令寄存器及其位定义（写）”的“写”是表明该寄存器只能写或者读出来的

值无意义，后面的可参照该方式。

为了读者更好的使用SJA1000，我们重点介绍Peli模式下总线定时器和时钟分频寄存器。

总线定时寄存器分为总线定时寄存器0和总线定时寄存器1。

总线定时寄存器0定义了波特率预设值BRP和同步跳转宽度SJW的值。复位模式有效时这个

寄存器是可以被访问（读/写）的。如果选择的是PeliCAN模式，此寄存器在工作模式中是只

读的。在BasicCAN模式中总是FFH。位说明如下：

图 20.3.7 位说明

其中波特率预设值（BRP）决定了CAN系统时钟tSCL，以输入时钟can_clk（tCLK）为基准，

而且决定了相应的位时序。CAN系统时钟tSCL由如下公式计算：

tSCL = 2×tCLK×(32×BRP.5+16×BRP.4+8×BRP.3+4×BRP.2+2×BRP.1+BRP.0+1)

同步跳转宽度(SJW)定义了每一位周期可以被重新同步缩短或延长的时钟周期的最大数

目，是为了补偿在不同总线控制器的时钟振荡器之间的相位偏移，任何总线控制器必须在当

前传送的相关信号边沿重新同步，与CAN系统时钟tSCL的关系如下：

tSJW = tSCL×(2×SJW.1+SJW.0+1)

总线定时寄存器1定义了每个位周期的长度、采样点的位置和在每个采样点的采样数目。

在复位模式中，这个寄存器可以被读/写访问。在PeliCAN模式的工作模式中，这个寄存器是

只读的，在BasicCAN模式中总是FFH。位说明如下：

图 20.3.8 位说明

SAM位决定了是三倍采样（总线采样三次）还是单倍采样（总线采样一次），建议在高速

总线上使用单倍采样，此时SAM值为0。

时间段1（TSEG1）和时间段2（TSEG2）决定了每一位的时钟数目和采样点的位置，这里

tSYNCSEG = 1×tSCL

tTSEG1 = tSC×(8×TSEG1.3+4×TSEG1.2+2×TSEG1.1+TSEG1.0+1)

tTSEG2 = tSCL×(4×TSEG2.2+2×TSEG2.1+TSEG2.1+1)

图 20.3.9 总线定时器的设置与位时钟关系

时钟分频寄存器（CDR）为微控制器控制CLKOUT的频率以及屏蔽CLKOUT引脚输出，而且决

定了SJA1000是运行于BasicCAN模式还是PeliCAN模式。软件复位（复位请求/复位模式）时，

此寄存器不受影响。位说明如下：

图 20.3.10 位说明

保留位CDR.4总是0。应用软件总是向此位写0以与将来可能使用此位的特性兼容。对于该

寄存器我们一般使用的是BIT.7和BIT.3，即选择PeliCAN模式和关闭时钟输出。

另外对于SJA1000还有两类重要的寄存器：验收代码寄存器(ACR)和验收屏蔽寄存器AMR，

使用起来不难，只需要记住验收代码寄存器设置了CAN控制器接收怎样的ID和数据信息，而验

收屏蔽寄存器决定了验收代码寄存器的相应位起不起作用，当验收屏蔽寄存器的某一位为1

时，验收代码寄存器的相应位不起作用。

为了方便使用CAN控制器，我们实现了一些基本的底层驱动功能，驱动头文件

can_con放在can/HAL/inc目录下，内容如下：

1 #ifndef __CAN_CONTROLLER_H__

2 #define __CAN_CONTROLLER_H__

3

4 #include ";

5 #include <;

6 #include <io.h>

7 #include "al;

8 #include ""

9

10 #ifdef __cplusplus

11 extern "C"

12 {

13 #endif /* __cplusplus */

14

15 //复位设置结构体

16 typedef struct{

17 uint8_t btr0; //总线定时器BTR0

18 uint8_t btr1; //总线定时器BTR1

19 uint8_t cdr; //时钟分频寄存器CDR

20 uint8_t acr[4]; //验收代码寄存器ACR

21 uint8_t amr[4]; //验收屏蔽寄存器AMR

22 }_rest_val;

23

24 /* CAN_CONTROLLER function */

25 void can_brt0(uint8_t val);

26 void can_brt1(uint8_t val);

27 void can_ocr(uint8_t val);

28 void can_acp(const uint8_t *acceptance);

29 void can_rest(void);

30 void can_txf(uint8_t tx_data[], uint8_t tx_info);

31 void can_rxf();

32 void tx_id_f(uint8_t ff, const uint8_t *id);

33 void rx_id_f(uint8_t *id);

34 void rx_data_f(uint8_t *data);

35

36 /* Macros used by alt_sys_init */

37 #define CAN_CONTROLLER_INSTANCE(name, dev) alt_u32 canbaseaddr = name##_BASE

38 #define CAN_CONTROLLER_INIT(name, dev)

39 #ifdef __cplusplus

40 }

41 #endif /* __cplusplus */

42

43 #endif /* __SEGLED_CONTROLLER_H__ */

在代码第16行，我们定义了一个结构体，里面的值是我们使用CAN控制器之前需要设置的

值。我们还声明了一些函数，这些函数实现的功能可以查看can_con文件，主要是

为了方便使用CAN控制器。can_con文件代码如下：

1 #include <;

2 #include "can_con"

3

4 #define SIZE 13

5

6 extern alt_u32 canbaseaddr;

7

8 uint8_t tx_buffer[SIZE];

9 uint8_t rx_buffer[SIZE];

10

11 //默认的复位值

12 _rest_val rest_val={

13 0x00, //sjw=1tscl, tscl=2tclk

14 0x14, //位长时间为8tscl

15 CANMODE_BIT|CLKOFF_BIT,

16 {0x00,0x00,0x00,0x00},

17 {0xff,0xff,0xff,0xff}

18 };

19

20 /*****************************************************************

21 函数功能：写CAN ID

22 入口参数：ff：帧格式：1扩展帧，0标准帧：id：CAN ID

23 返回参数：

24 说明 ：默认在Peli_CAN模式下

25 ******************************************************************/

26 void tx_id_f(uint8_t ff, const uint8_t *id)

27 {

28 if(ff){

29 tx_buffer[1] = id[1];

30 tx_buffer[2] = id[2];

31 tx_buffer[3] = id[3];

32 tx_buffer[4] = id[4];

33 }

34 else{

35 tx_buffer[1] = id[1];

36 tx_buffer[2] = id[2];

37 }

38 }

39

40 /*****************************************************************

41 函数功能：读CAN ID

42 入口参数：id：接收到的CAN ID，id[0]为帧信息

43 返回参数：

44 说明 ：默认在Peli_CAN模式下

45 ******************************************************************/

46 void rx_id_f(uint8_t *id)

47 {

48 uint8_t i;

49 if(rx_buffer[0] & 0x80)

50 for(i=0; i < 5; i++)

51 id[i] = rx_buffer[i];

52 else

53 for(i=0; i < 3; i++)

54 id[i] = rx_buffer[i];

55 }

56

57 /*****************************************************************

58 函数功能：读取接收到的数据

59 入口参数：data：接收数据的数组

60 返回参数：

61 说明 ：默认在Peli_CAN模式下

62 ******************************************************************/

63 void rx_data_f(uint8_t *data)

64 {

65 uint8_t i;

66 if(rx_buffer[0] & 0x80)

67 for(i=0; i < (rx_buffer[0] & 0x0f); i++)

68 data[i] = rx_buffer[i+5];

69 else

70 for(i=0; i < (rx_buffer[0] & 0x0f); i++)

71 data[i] = rx_buffer[i+3];

72 }

73

74 /*****************************************************************

75 函数功能：设置总线定时器0

76 入口参数：val：总线定时器0的值

77 返回参数：

78 说明 ：默认在Peli_CAN模式下

79 ******************************************************************/

80 void can_brt0(uint8_t val)

81 {

82 re = val;

83

84 }

85

86 /*****************************************************************

87 函数功能：设置总线定时器1

88 入口参数：val：总线定时器1的值

89 返回参数：

90 说明 ：默认在Peli_CAN模式下

91 ******************************************************************/

92 void can_brt1(uint8_t val)

93 {

94 re = val;

95 }

96

97 /*****************************************************************

98 函数功能：设置输出控制寄存器

99 入口参数：val：输出控制寄存器的值

100 返回参数：

101 说明 ：默认在Peli_CAN模式下

102 ******************************************************************/

103 void can_ocr(uint8_t val)

104 {

105 re = val;

106 }

107

108 /*****************************************************************

109 函数功能：设置验收滤波器

110 入口参数：acceptance：验收滤波器设置

111 返回参数：

112 说明 ：默认在Peli_CAN模式下

113 ******************************************************************/

114 void can_acp(const uint8_t *acceptance)

115 {

116 re[0] = acceptance[0]; //验收代码寄存器设置

117 re[1] = acceptance[1];

118 re[2] = acceptance[2];

119 re[3] = acceptance[3];

120 re[0] = acceptance[4]; //验收屏蔽寄存器设置

121 re[1] = acceptance[5];

122 re[2] = acceptance[6];

123 re[3] = acceptance[7];

124 }

125

126 /*****************************************************************

127 函数功能：复位SJA1000

128 入口参数：

129 返回参数：

130 说明 ：默认在Peli_CAN模式下

131 ******************************************************************/

132 void can_rest(void)

133 {

134 //确定是否在复位模式，不在则进入复位模式

135 while(!(IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_MOD) & RM_BIT))

136 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_MOD, RM_BIT);

137

138 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_BTR0, re);

139 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_BTR1, re); //位长时间为8tscl

140 //设为Peli_CAN模式&禁能时钟输出

141 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_CDR, re);

142

143 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_ACR0, re[0]); //验收代码寄存器设置

144 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_ACR1, re[1]);

145 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_ACR2, re[2]);

146 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_ACR3, re[3]);

147 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_AMR0, re[0]); //验收屏蔽寄存器设置

148 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_AMR1, re[1]);

149 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_AMR2, re[2]);

150 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_AMR3, re[3]);

151

152 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_IER, RIE_BIT); //使能接收中断

153 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_CMR, RRB_BIT); //释放接收缓冲器

154

155 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_MOD, AFM_BIT); //设置为单个验收滤波器

156 while(!(IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_MOD) == AFM_BIT))

157 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_MOD, AFM_BIT);

158 printf("INIT_DONE!n");

159 }

160

161 /*****************************************************************

162 函数功能：CAN控制器发送函数

163 入口参数：tx_data[]：CAN控制器发送的数据

164 tx_info：发送帧信息，bit7：0 标准帧，1扩展帧，

165 bit6：0:数据帧，1遥控帧

166 bit3-0：数据长度DLC

167 返回参数：

168 说明 ：发送帧信息

169 ******************************************************************/

170 void can_txf(uint8_t tx_data[], uint8_t tx_info)

171 {

172 uint8_t i;

173

174 if(tx_info & 0x80){ //判断是否为扩展帧

175 tx_buffer[0] = tx_info;

176 for(i=0; i < (tx_info & 0x0f); i++)

177 tx_buffer[5+i] = tx_data[i];

178 }

179 else{

180 tx_buffer[0] = tx_info;

181 for(i=0; i < (tx_info & 0x0f); i++)

182 tx_buffer[3+i] = tx_data[i];

183 }

184 while(IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_SR) & RS_BIT); //等待

185 while(!(IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_SR) & (TCS_BIT|TBS_BIT))); //等待

186 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_TBR0 , tx_buffer[ 0]);

187 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_TBR1 , tx_buffer[ 1]);

188 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_TBR2 , tx_buffer[ 2]);

189 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_TBR3 , tx_buffer[ 3]);

190 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_TBR4 , tx_buffer[ 4]);

191 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_TBR5 , tx_buffer[ 5]);

192 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_TBR6 , tx_buffer[ 6]);

193 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_TBR7 , tx_buffer[ 7]);

194 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_TBR8 , tx_buffer[ 8]);

195 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_TBR9 , tx_buffer[ 9]);

196 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_TBR10, tx_buffer[10]);

197 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_TBR11, tx_buffer[11]);

198 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_TBR12, tx_buffer[12]);

199

200 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_CMR, TR_BIT); //置位发送请求位

201 printf("TX DONE!n");

202 }

203

204 /*****************************************************************

205 函数功能：接收节点发送的帧信息

206 入口参数：

207 返回参数：

208 说明 ：在中断服务程序中调用

209 ******************************************************************/

210 void can_rxf()

211 {

212 rx_buffer[ 0] = IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_RBR0 );

213 rx_buffer[ 1] = IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_RBR1 );

214 rx_buffer[ 2] = IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_RBR2 );

215 rx_buffer[ 3] = IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_RBR3 );

216 rx_buffer[ 4] = IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_RBR4 );

217 rx_buffer[ 5] = IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_RBR5 );

218 rx_buffer[ 6] = IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_RBR6 );

219 rx_buffer[ 7] = IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_RBR7 );

220 rx_buffer[ 8] = IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_RBR8 );

221 rx_buffer[ 9] = IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_RBR9 );

222 rx_buffer[10] = IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_RBR10);

223 rx_buffer[11] = IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_RBR11);

224 rx_buffer[12] = IORD_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_RBR12);

225

226 IOWR_8DIRECT(canbaseaddr, SJA_CMR, RRB_BIT); //释放接收缓冲器

227

228 printf("RX DONE!n");

229 }

需要注意的是这些函数都是默认在PeliCAN模式下工作的，而且与SJA1000不同的是我们默认的就是PeliCAN模式。我们在代码第12行设置了复位时的默认值，如果需要重新设置只需

调用相应的函数即可。另外这些函数包括了初始化SJA1000，发送CAN信息，接收CAN信息等基

本功能，如果想实现更复杂的功能，譬如错误处理，可以在该文件中添加错误处理函数即

可。

编写完了寄存器头文件和驱动底层头文件，为了让Nios SBT for Eclipse自动获取IP核

的HAL，我们需要编写can_con文件，由于该代码比较简单，并且该代码中的

内容与我们的自定义数据管IP核实验中的文件中的代码基本一致，所以我们就不再对

can_con进一步进行讲解了。现在为了方便以后我们在其它工程中调用CAN控

制器IP核，我们将my_ip文件夹拷贝到<Quartus安装目录>/ip文件夹下，至此封装IP核结束。

现在我们实现Qsys的CAN环回实验。

搭建的Qsys硬件框架如下：

图 20.3.11 硬件框架

这里我们除了基本的sdram和epcs外，增加了我们数码管、按键控制发送的PIO和刚才封

装的CAN控制器。CAN控制器的时钟can_clk_i我们引出来，接到顶层的PLL的输出的16MHz上，

can_clk_o是CAN控制器的输出时钟，一般不需要。

顶层代码如下：

1 module qsys_can_loopback(

2 //module clock

3 input sys_clk , //系统时钟，50Mhz

4 input sys_rst_n , //系统复位，低电平有效

5

6 //SDRAM interface

7 output sdram_clk , //SDRAM 芯片时钟

8 output sdram_cke , //SDRAM 时钟有效

9 output sdram_cs_n , //SDRAM 片选

10 output sdram_ras_n, //SDRAM 行有效

11 output sdram_cas_n, //SDRAM 列有效

12 output sdram_we_n , //SDRAM 写有效

13 output [ 1:0] sdram_ba , //SDRAM Bank地址

14 output [12:0] sdram_addr , //SDRAM 行/列地址

15 inout [15:0] sdram_data , //SDRAM 数据

16 output [ 1:0] sdram_dqm , //SDRAM 数据掩码

17

18 //EPCS FLASH interface

19 output epcs_dclk , // EPCS 时钟信号

20 output epcs_sce , // EPCS 片选信号

21 output epcs_sdo , // EPCS 数据输出信号

22 input epcs_data0 , // EPCS 数据输入信号

23

24 //can interface

25 input can_rx , // CAN接收引脚

26 output can_tx , // CAN发送引脚

27

28 //segled interface

29 output [ 5:0] sel , // 数码管位选端

30 output [ 7:0] seg_led , // 数码管段选端

31

32 //key interface

33 input key2 // 使能CAN发送信号

34 );

35

36 //wire define

37 wire clk_100m; //SDRAM 控制器时钟

38 wire can_clk ; //CAN驱动器的时钟

39 wire rst_n ; //系统复位信号

40 wire locked ; //PLL输出稳定标志

41

42 //*****************************************************

43 //** main code

44 //*****************************************************

45

46 //待PLL输出稳定之后，停止系统复位

47 assign rst_n = sys_rst_n & locked;

48

49 //例化PLL

50 pll_clk u_pll_clk(

51 .areset (~sys_rst_n),

52 .inclk0 (sys_clk ),

53 .c0 (clk_100m ),

54 .c1 (sdram_clk ),

55 .c2 (can_clk ), // CAN控制器驱动时钟16MHz

56 .locked (locked )

57 );

58

59 //例化Nios2系统模块

60 nios2os u_nios2os (

61 .clk_clk (clk_100m ), // 时钟100M

62 .reset_reset_n (rst_n ), // 复位信号

63 .sdram_addr (sdram_addr ), // SDRAM 行/列地址

64 .sdram_ba (sdram_ba ), // SDRAM Bank地址

65 .sdram_cas_n (sdram_cas_n), // SDRAM 列有效

66 .sdram_cke (sdram_cke ), // SDRAM 时钟有效

67 .sdram_cs_n (sdram_cs_n ), // SDRAM 片选

68 .sdram_dq (sdram_data ), // SDRAM 数据

69 .sdram_dqm (sdram_dqm ), // SDRAM 数据掩码

70 .sdram_ras_n (sdram_ras_n), // SDRAM 行有效

71 .sdram_we_n (sdram_we_n ), // SDRAM 写有效

72 .epcs_dclk (epcs_dclk ), // EPCS 时钟信号

73 .epcs_sce (epcs_sce ), // EPCS 片选信号

74 .epcs_sdo (epcs_sdo ), // EPCS 数据输出信号

75 .epcs_data0 (epcs_data0 ), // EPCS 数据输入信号

76 .can_clk_i_clk (can_clk ), // can_clk_in

77 .can_rt_rx (can_rx ), // can_rt.rx

78 .can_rt_tx (can_tx ), // .tx

79 .can_clk_out_clk ( ), // can_clk_out

80 .can_tx_en_export (key2 ), // 使能CAN发送信号

81 .segled_sel (sel ), // 数码管位选端

82 .segled_seg_led (seg_led ) // 数码管段选端

83 );

84

85 endmodule

顶层代码主要是连接例化模块的各端口，实现信号的交互。

接下来进行引脚分配，常用的引脚我们就不贴图了，我们贴下CAN控制器使用到的引脚和

按键使能CAN发送的引脚，如下表所示：

图 20.3.12 CAN环回实验部分管脚分配

软件设计

创建好软件工程后，我们将更改为q。接下来我们来

看一下本实验的软件工程代码，如下：

1 #include ";

2 #include <uni;

3 #include <;

4 #include <;

5 #include "sy;

6 #include "sy;

7 #include "al; //PIO寄存器文件

8 #include "can_con" //CAN控制器驱动文件

9 #include "segled_con" //数码管驱动文件

10

11 #define CanBaseAddr CAN_CONTROLLER_BASE

12 //帧信息

13 #define FF 0 //帧格式: 0:SFF 1:EFF

14 #define RTR 0 //0数据帧 1远程帧

15 #define DLC 3 //数据长度(0~8)

16 #define FRM_INFO (FF<<7) + (RTR<<6) + DLC //帧信息

17

18 const uint8_t id[2]={0x00,0x20}; //发送的ID

19

20 uint8_t acceptance[8]={0x00,0x00,0x00,0x00, //验收代码

21 0xff,0xff,0xff,0xff}; //验收屏蔽

22 uint8_t rx_data[8]; //接收的数据

23 uint8_t rx_flag = 0; //接收有效标志

24

25 void can_isr(void* context, alt_u32 id);

26 void delay_ms(uint32_t n);

27

28 int main(void)

29 {

30 int rc;

31 uint8_t tx_data[8],i;

32 uint8_t key;

33

34 printf("Hello from Nios II!n");

35 //需发送数据

36 tx_data[0] = 18;

37 tx_data[1] = 12;

38 tx_data[2] = 25;

39 IOWR_AVALON_SEGLED_EN(SEGLED_CONTROLLER_BASE,1);

40 alt_ic_isr_register(

41 CAN_CONTROLLER_IRQ_INTERRUPT_CONTROLLER_ID,

42 CAN_CONTROLLER_IRQ,

43 can_isr,

44 0,

45 0); //注册CAN控制器中断服务

46 can_brt0(0x00); //设置总线定时器0 sjw=1tscl, tscl=2tclk

47 can_brt1(0x14); //设置总线定时器1 位长时间为8tscl

48 can_acp(acceptance); //设置验收滤波器

49 can_rest(); //复位CAN控制器

50 while(1){

51 key = IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(CAN_TX_EN_BASE);

52 if(!key){

53 tx_id_f(FF,id); //发送ID

54 can_txf(tx_data,FRM_INFO); //发送数据

55 delay_ms(500);

56 }

57 else if(rx_flag){

58 rx_data_f(rx_data);

59 for(i=0;i<DLC;i++){

60 IOWR_AVALON_SEGLED_DATA(SEGLED_CONTROLLER_BASE,rx_data[i]);

61 delay_ms(1000);

62 }

63 rx_flag = 0;

64 }

65 }

66 return 0;

67 }

68

69 /*****************************************************************

70 函数功能：延时函数

71 入口参数：n:延时的时间

72 返回参数：

73 说明 ：单位ms

74 ******************************************************************/

75 void delay_ms(uint32_t n)

76 {

77 usleep(n*1000);

78 }

79

80 /*****************************************************************

81 函数功能：中断服务函数

82 入口参数：

83 返回参数：

84 说明 ：CAN 控制器的中断服务函数

85 ******************************************************************/

86 void can_isr(void* context, alt_u32 id)

87 {

88 uint8_t status;

89 status = IORD_8DIRECT(CanBaseAddr, SJA_IR);

90 printf("status:%xn",status);

91 if(status & RI_BIT){ //判断是否是接收中断

92 can_rxf(); //接收数据

93 rx_flag = 1;

94 }

95 }

代码第13行起，我们宏定义了帧格式、数据长度等信息。另外第20行的验收屏蔽位设为全1，这样就可以接收所有的ID信息。代码第36行起的3行我们定义了需发送的数据18、12、

15，发送3字节的数据与代码第15行的DLC对应。代码第46和47行的总线定时寄存器配置后，

在16MHz的CAN控制器输入时钟下，CAN控制器输出的波特率为1Mbps。代码第49行起CAN控制器

复位之后处于接收状态，当接收到有效数据后触发接收中断，将接收到的数据显示在数码管

上，如果是按下按键，就发送数据。

下载验证

讲完了软件工程，接下来我们就将该实验下载至我们的开拓者开发板进行验证。

首先我们将两个开拓者开发板上的CAN接口用两根杜邦线连接起来，如图 20.5.1所示。

连接时注意接口位置一一对应，不要接反了。另外开拓者开发板上的CAN接口与RS485接口十

分相像，使用时请注意区分。还有一点需要注意的是，两块开发板的P5口都需要使用杜邦线

或者跳帽进行连接选择CAN口，否则无法进行CAN通信。然后分别将两个开发板上的下载器一

端连电脑，另一端与开发板上的JTAG下载端口连接，最后连接电源线并打开电源开关。然后

我们将程序固化到开发板上。

图 20.5.1 连接及结果图

固化完成后我们依次按下任意一个开发板上KEY2按键，可以观察到另外一个开发板上依次显示收到的数据18、12和25，说明程序下载验证成功。