嵌入式Linux--LinuxCAN驱动实验

CAN总线作为应用广泛的现场总线，在汽车电子与工业领域占据核心地位，凭借高可靠性、多主控制等特性，成为自动化领域的关键技术。I.MX6ULL集成FlexCAN外设，为CAN设备开发提供硬件基础，本章聚焦该开发板CAN接口的驱动开发。

一、CAN协议核心解析

1. 协议基础与特性

CAN全称控制器局域网，由博世开发，现已成为ISO11898国际标准，最初服务于汽车电子，如今已拓展至工业、医疗、船舶等多领域。其核心特性包括：

- 多主控制：总线空闲时，所有单元均可主动发送消息，若多单元同时发送，通过标识符逐位仲裁，显性电平多的单元优先级更高，可继续发送，失利单元转为接收状态。

- 系统灵活性：总线上单元无地址标识，新增单元时，其他单元软硬件及应用层无需改动。

- 通信性能：最高速率达1Mbps，传输距离最远可达10km，速率与距离呈负相关。

- 高可靠性：具备错误检测、通知与恢复功能，可识别暂时性与持续性错误，对持续错误单元实现故障封闭，防止影响总线运行。

- 节点容量：理论上连接单元数无限制，实际受时间延迟与电气负载约束，降低速率可增加连接单元数。

2. 电气与物理连接

CAN总线采用双线差分传输，即CAN_H与CAN_L。显性电平代表逻辑0，CAN_H与CAN_L电位差为2V；隐性电平代表逻辑1，电位差为0V，总线空闲时保持隐性。所有单元通过双线并联，总线两端需接入120Ω端接电阻，用于匹配阻抗、吸收信号反射，保障通信稳定。

3. 协议帧结构

CAN协议定义5种帧格式，各司其职：

-数据帧：用于节点间数据传输，含帧起始、仲裁段、控制段、数据段、CRC段、ACK段与帧结束7部分，标准帧ID为11位，扩展帧ID为29位，数据段支持0-8字节。

- 遥控帧：接收单元向发送单元请求数据，结构与数据帧相似，无数据段，RTR位为隐性，DLC表示请求数据的长度。

- 错误帧：检测到错误时发送，由错误标志与错误界定符组成，错误标志含主动显性与被动隐性两种。

- 过载帧：接收单元未做好接收准备时发送，由过载标志与过载界定符构成，用于延缓后续帧发送。

- 间隔帧：分隔数据帧与遥控帧，由3个隐性位与可变长度的总线空闲组成，过载帧与错误帧前不可插入。

4. 位时序与波特率

CAN总线以位传输数据，每位分同步段、传播时间段、相位缓冲段1、相位缓冲段2四段，以时间量子为最小单位。波特率由总时间量子数计算，同步段固定1Tq，其余段可通过寄存器灵活配置，再同步补偿宽度用于补偿时钟误差，保障节点同步。

5. 仲裁机制

总线空闲时，最先发送的单元获发送权；多单元同时发送时，从仲裁段首位开始逐位比较，连续输出显性电平最多的单元胜出，继续发送，失利单元立即停止发送转为接收，确保总线有序访问。

二、I.MX6ULL FlexCAN控制器

I.MX6ULL搭载FlexCAN控制器，符合CAN2.0B协议，支持标准与扩展帧格式，最高速率1Mbps，具备64个消息缓冲，特性如下：

- 支持灵活的消息邮箱配置，每个邮箱可设为接收或发送，适配标准与扩展格式，配备独立接收掩码与强大的ID过滤功能。

- 未使用空间可作通用RAM，支持回测模式用于自测，具备可编程优先级与多种工作模式。

FlexCAN支持正常、冻结、仅监听、回环四种工作模式，以及禁止、停止两种低功耗模式。正常模式下，所有CAN功能启用；冻结模式禁止收发，总线同步丢失；仅监听模式仅接收ACK消息，冻结错误计数器；回环模式用于自测，发送数据直接反馈至内部接收单元。通过控制寄存器的PRESDIV、PROPSEG、PSEG1、PSEG2与RJW位域，可配置位时序，进而精准设定波特率。

三、硬件原理与设备树配置

1. 硬件原理图

正点原子I.MX6U-ALPHA开发板的CAN接口，以I.MX6ULL的FlexCAN1为核心，其TX、RX引脚复用UART3_CTS、UART3_RTS，外接TJA1050收发器，将信号转换为CAN_H、CAN_L总线，并配备120Ω端接电阻，保障信号稳定传输。

2. 设备树配置

- 引脚配置：在板级DTS文件中定义pinctrl_flexcan1引脚组，将UART3相关引脚复用为FlexCAN1的收发引脚，设置电气属性。

- 控制器使能：在imx6ull-alientek-emmc.dts中，为flexcan1节点指定引脚组、3.3V收发器供电，将status设为"okay"，启用控制器；同时屏蔽FlexCAN2节点，避免与ECSPI3冲突。

四、内核驱动配置与测试工具移植

1. 内核驱动使能

- 开启CAN总线子系统：进入内核配置菜单，在Networking support中勾选CAN bus subsystem support。

- 启用FlexCAN驱动：在CAN Device Drivers中，选中Platform CAN drivers with Netlink support，再勾选Support forFreescaleFLEXCAN based chips，编译内核。

2. 测试工具移植

- iproute2移植：Busybox自带的ip命令不支持CAN操作，需交叉编译iproute2源码，修改Makefile的CC为arm-linux-gnueabihf-gcc，编译后将ip命令安全替换至开发板/sbin目录，替换前务必备份原文件，防止系统启动失败。

- can-utils移植：解压can-utils源码，执行autogen.sh生成配置，交叉编译并安装，将生成的cansend、candump等工具拷贝至开发板/usr/bin目录，为CAN测试提供工具支撑。

五、CAN通信测试

1.网卡检测

使用新编译的内核与设备树启动开发板，执行ifconfig命令，可看到名为can0的网卡，即FlexCAN1对应的网络设备，若启用FlexCAN2，还会出现can1网卡。

2. 通信测试

因开发板仅一个CAN接口，需外接USB转CAN设备协同测试：

- 接口初始化：用ip命令设置can0波特率为500kbps，启动网卡，命令为iplink set can0 type can bitrate 500000与ifconfig can0 up。

- 数据收发：运行candump can0后台监听数据，USB转CAN设备以相同波特率发送标准帧数据，开发板可准确接收；反之，在开发板执行cansend can0 5A111.22.33.44.55.66.77.88，USB转CAN设备也能正常接收，验证CAN驱动功能正常。

CAN驱动开发需精准把握协议原理、硬件配置与工具适配，通过规范的设备树配置、内核驱动使能与严谨的测试流程，可快速实现I.MX6ULL开发板的CAN接口驱动，为汽车、工业等领域的应用开发筑牢基础。