Linux下socket编程实现CAN总线数据接收指南

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简介：在Linux操作系统中，通过socket API可实现CAN总线数据的接收和发送，本指南将详细介绍这一过程。首先确认系统支持CAN接口，然后创建CAN socket，设置接口，并通过 recvfrom() 函数接收数据。同时， can-utils 工具集将有助于CAN总线的测试和诊断。理解CAN帧结构和协议规范是构建通信应用程序的关键。

1. Linux系统中CAN总线基础

Linux作为一个开源操作系统，为开发者提供了强大的网络编程接口和硬件支持。Linux内核很早就支持了CAN总线，一种常用于工业环境和汽车电子中的现场总线技术。本章将介绍Linux系统中CAN总线的基础知识，旨在为读者建立对CAN总线通信机制和在Linux系统下的实现方式的初步了解。

1.1 CAN总线简介

CAN总线（Controller Area Network）是一种高可靠性的通信总线，广泛应用于实时数据传输场景中。它能够有效支持分布式控制或实时控制的网络，如汽车电子控制、智能楼宇自动化、医疗设备以及航空电子系统等。

1.2 Linux中的CAN总线支持

在Linux中，通过socket CAN子系统来处理CAN网络通信。开发者可以利用网络编程的API来实现CAN通信，无需担心底层硬件的复杂性。Linux通过网络设备层支持CAN，使得CAN设备像网络接口一样进行管理。

1.3 本章小结

学习Linux系统中CAN总线的基础是进行CAN总线开发的第一步，从CAN总线的工作原理，到Linux系统如何提供接口和抽象层来简化开发者工作，都是构建CAN通信系统不可或缺的知识点。后续章节将逐步深入介绍如何在Linux环境中检查CAN接口、配置网络、接收和发送数据以及进行错误处理和数据解析。

2. 检查Linux系统是否支持CAN接口

2.1 检测硬件接口与驱动状态

2.1.1 使用 ip 命令识别CAN接口

在Linux系统中， ip 命令是一个强大的网络配置工具，它能帮助我们查看和管理各种网络接口，包括CAN总线接口。首先，我们需要确认系统是否支持CAN接口，以及当前是否已经识别了CAN接口。

打开终端，输入以下命令：

ip link show type can

如果系统支持CAN并且CAN驱动已经加载，这条命令将会列出所有检测到的CAN接口及其状态。一个典型的输出可能如下：

2: can0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 16 qdisc pfifo_fast state DOWN mode DEFAULT group default qlen 10
    link/can

上面的例子表示有一个名为 can0 的CAN接口被识别，但是目前没有载波（ NO-CARRIER ），这意味着接口没有连接到任何设备，或者驱动没有正确加载。

在确认接口存在后，下一步是确认驱动模块是否已经加载。

2.1.2 检查CAN驱动模块是否加载

Linux内核支持多种硬件驱动作为模块运行。对于CAN接口，常见的驱动模块有 vcan （虚拟CAN驱动）、 slcan （串行线CAN驱动）等。我们可以通过 lsmod 命令来查看当前加载的模块。

在终端中输入以下命令：

lsmod | grep can

如果存在CAN驱动模块，输出可能会显示类似如下内容：

can_bcm            20480  0
vcan               28672  0
can_raw            20480  0
can                 57344  3 can_bcm,vcan,can_raw

在这里， vcan 模块已被加载，这意味着虚拟CAN网络接口可以被创建和使用，这对于测试和开发是很有用的。

接下来，我们可以继续学习如何配置CAN网络接口，包括设置波特率和管理接口的激活状态。

2.2 配置CAN网络接口

2.2.1 配置CAN接口的波特率

在CAN通信中，波特率是通信速率的重要参数，它决定了节点间传输数据的速度。在Linux中，可以通过 ip 命令或 ifconfig 命令（如果可用）来设置CAN接口的波特率。

使用 ip 命令设置CAN接口波特率的命令格式如下：

ip link set dev can0 type can bitrate 125000

这里 can0 是CAN接口名， bitrate 后的数值 125000 表示设置的波特率为125kbps。根据不同系统和CAN控制器的支持，设置的值可以不同。

参数说明： bitrate 是设置CAN通信速率的参数，其后的数值表示速率的大小，单位通常是bps（比特每秒）。在本例中，设置的是125kbps，对于其他速率的设置也遵循相同的格式。

2.2.2 管理CAN接口的激活状态

为了开始传输CAN数据，CAN接口需要处于激活状态。要激活CAN接口，可以使用以下命令：

ip link set can0 up

相反地，如果需要暂时关闭CAN接口，可以使用以下命令：

ip link set can0 down

通过上面的步骤，我们可以完成Linux系统中CAN接口的检查和基础配置。在下一章中，我们将探讨使用socket API来接收CAN总线数据的详细流程。

3. 使用socket API接收CAN总线数据

3.1 了解socket API在CAN通信中的角色

3.1.1 socket API与CAN通信的关联

在Linux系统中，socket API是一种编程接口，用于在网络应用中进行通信。在CAN通信场景中，socket API提供了一种机制，允许用户空间的程序与内核中的CAN驱动程序进行交互。这样，程序员可以按照标准的socket编程范式来实现CAN帧的接收和发送，从而简化了开发过程。

3.1.2 socket类型选择及其对CAN通信的影响

在CAN通信中，通常使用SOCK_RAW类型来创建CAN socket，因为需要直接操作底层的网络协议细节。这种类型的socket允许程序员构造和接收原始协议头的帧。选择合适的socket类型对整个通信系统的效率和可靠性都有很大的影响。例如，SOCK_DGRAM类型适合于使用UDP协议的应用场景，而不适合于CAN通信，因为CAN需要确保数据的准确性和实时性。

3.2 创建和配置CAN socket

3.2.1 使用 socket() 函数创建CAN socket

创建CAN socket的第一步是调用 socket() 函数。这个函数是Linux系统中网络编程的基础，它用来建立一个网络通信端点。以下是创建CAN socket的示例代码：

#include <sys/socket.h>
#include <net/if.h>
#include <linux/can.h>
#include <linux/can/raw.h>

// 创建一个CAN原始套接字
int s = socket(PF_CAN, SOCK_RAW, CAN_RAW);
if (s < 0) {
    perror("Error while creating socket");
    return -1;
}

在这段代码中， PF_CAN 指定了协议族为CAN， SOCK_RAW 指定了socket类型为原始类型， CAN_RAW 指定了协议为CAN原始协议。创建成功后，返回的套接字描述符 int s 将用于后续的通信操作。

3.2.2 配置socket选项来适配CAN总线

创建socket后，通常需要配置一些socket选项，以适配CAN总线的特定要求。例如，设置CAN接口的过滤器、监听模式等。以下是一些常用的socket选项设置：

struct sockaddr_can addr;
struct ifreq ifr;

// 设置CAN接口名称
ifr.ifr_ifindex = if_nametoindex("can0");

// 设置socket选项以绑定到特定的CAN接口
setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO Bindto, &ifr, sizeof(ifr));

// 设置CAN过滤器
struct can_filter filter;
filter.can_id   = 0x123; // 过滤特定的CAN ID
filter.can_mask = 0x7FF; // 掩码，用于确定哪些位是可变的

setsockopt(s, SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_FILTER, &filter, sizeof(filter));

在这个例子中， setsockopt() 函数用于设置socket选项。其中， SOL_SOCKET 和 SO Bindto 用于绑定到特定的CAN接口， SOL_CAN_RAW 和 CAN_RAW_FILTER 用于设置过滤器。这些设置确保了socket只接收指定CAN ID的数据，提高了数据处理的效率。

4. 使用 recvfrom() 接收CAN帧

4.1 分析 recvfrom() 函数的参数和返回值

在CAN总线数据通信过程中，通过socket API接收数据是常见的操作。 recvfrom() 函数是在非连接模式的socket上接收数据的标准方法，其原型如下：

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

4.1.1 参数详解：数据缓冲区、长度及标志位

• sockfd ：已经打开并准备读取数据的socket文件描述符。
• buf ：指向数据缓冲区的指针，用于存储接收到的数据。
• len ：指定读取的最大字节数，通常设置为预期接收数据包的最大长度。
• flags ：此参数用于修改 recvfrom() 的行为。例如， MSG_WAITALL 标志会阻塞调用直到读取了指定的字节数。在CAN通信中，通常会设置为0以使用默认行为。
• src_addr ：指向 sockaddr 结构的指针，用于存储发送数据的源地址信息。对于CAN通信，此参数可以是 NULL 。
• addrlen ：指向 socklen_t 变量的指针，该变量在调用之前表示 src_addr 结构的大小，在调用之后表示实际接收的地址长度。

4.1.2 接收CAN数据时的错误处理

在使用 recvfrom() 接收CAN数据时，可能出现的错误包括但不限于：

• EWOULDBLOCK （或 EAGAIN ）：非阻塞socket，没有数据可读。
• EINTR ：调用被某个信号中断。
• ENOTCONN ：套接字没有连接。
• EBADF ：套接字文件描述符无效。
• EFAULT ：缓冲区指针无效。

对于CAN通信而言，错误处理尤为重要，因为网络状况和硬件故障都可能导致通信中断。因此，开发者应当在程序逻辑中妥善处理上述错误，并提供相应的恢复策略。

4.2 实现CAN数据的接收过程

4.2.1 通过循环调用 recvfrom() 接收数据

以下是一个使用 recvfrom() 循环接收CAN帧的示例代码：

#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <linux/can.h>
#include <linux/can/raw.h>
#include <net/if.h>

int main() {
    int s;
    int nbytes;
    struct sockaddr_can addr;
    struct can_frame frame;
    struct ifreq ifr;
    struct iovec iov;
    struct msghdr msg;

    // 创建一个原始socket
    s = socket(PF_CAN, SOCK_RAW, CAN_RAW);

    // 设置接口索引，例如为"can0"
    strcpy(ifr.ifr_name, "can0");
    ioctl(s, SIOCGIFINDEX, &ifr);

    // 绑定到这个接口
    addr.can_family = AF_CAN;
    addr.can_ifindex = ifr.ifr_ifindex;
    bind(s, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));

    // 设置消息头
    memset(&msg, 0, sizeof(msg));
    msg.msg_name = &addr;
    msg.msg_namelen = sizeof(addr);
    iov.iov_base = &frame;
    iov.iov_len = sizeof(struct can_frame);
    msg.msg_iov = &iov;
    msg.msg_iovlen = 1;

    // 循环读取数据
    while (1) {
        nbytes = recvmsg(s, &msg, 0);
        if (nbytes < 0) {
            perror("recvmsg");
            break;
        } else if (nbytes < sizeof(struct can_frame)) {
            fprintf(stderr, "Incomplete CAN frame\n");
            continue;
        }

        // 打印接收到的CAN帧数据
        printf("Received a CAN frame with ID=%X\n", frame.can_id);
    }

    // 关闭socket
    close(s);
    return 0;
}

4.2.2 接收数据的同步与异步处理

同步和异步数据处理在CAN通信中都很常见，主要取决于应用场景的需要：

• 同步处理 ：如上示例代码所示，接收操作会阻塞程序的执行直到有数据可读。这种方式简单易实现，但不适用于需要实时响应的场景。
• 异步处理 ：在异步模式下，我们通常需要设置socket为非阻塞模式，并使用如 select() 或 poll() 等系统调用来监听socket的可读状态。这样可以在数据到达时及时处理，提高程序的响应性。

在Linux环境下，异步接收CAN帧的代码示例如下：

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>

// ...（其他包含文件和初始化代码）

fd_set readfds;
struct timeval tv;
int maxfd = s;

// 设置timeout为5秒
tv.tv_sec = 5;
tv.tv_usec = 0;

// 初始化readfds集合
FD_ZERO(&readfds);
FD_SET(s, &readfds);

// 检查socket是否可读
if(select(maxfd + 1, &readfds, NULL, NULL, &tv) > 0) {
    if(FD_ISSET(s, &readfds)) {
        // 有数据可读
        // 此处调用recvmsg()获取数据
    }
} else {
    // 无数据，且无超时
}

// ...（后续处理代码）

使用异步处理可以提升CAN通信的性能和效率，特别是在多线程或多任务环境中。不过，开发者需要注意管理并发和同步问题，避免数据处理上的冲突。

5. can-utils 工具集介绍

can-utils 是Linux环境下一套用于CAN总线通信和调试的工具集。它提供了一系列命令行工具，允许用户方便地捕获、发送、监控和分析CAN总线上的数据帧。这一章节将会深入探讨 can-utils 工具集中的常用工具以及它们的使用方法，同时展示如何与socket API协同工作以完成复杂的CAN通信任务。

5.1 can-utils 工具的功能概述

can-utils 工具集包含了一系列用于CAN设备操作的实用程序，对于开发和调试CAN总线应用来说，它们是不可或缺的资源。

5.1.1 常用 can-utils 工具一览

以下是 can-utils 中一些最常用的工具：

• candump : 用于捕获并记录CAN总线上的数据帧。
• cansend : 用于向CAN总线上发送指定的数据帧。
• canplayer : 用于重放先前捕获的CAN数据帧。
• canmon : 用于实时监视CAN总线活动。
• cangen : 用于随机生成CAN数据帧。
• canbusload : 用于计算并显示CAN总线上的负载。

每一个工具都有其特定的应用场景和参数选项，通过熟练掌握这些工具，开发者和测试工程师能够高效地进行CAN总线的调试和问题诊断。

5.1.2 工具与socket API的协同工作

can-utils 工具集并不排斥使用socket API进行CAN通信。事实上，它们经常与socket API协同工作，提供更高级别的抽象。例如， candump 捕获的数据可以被 cansend 用于发送，或者使用socket API进一步分析处理。这种组合使用为开发者提供了极大的灵活性。

5.2 使用 can-utils 进行CAN通信调试

调试是确保CAN通信稳定和可靠的重要步骤。 can-utils 提供了强大的调试功能，使得开发者可以更轻松地诊断和解决通信问题。

5.2.1 使用 candump 捕获CAN帧

candump 工具能够记录经过CAN接口的每一条帧数据，将它们保存到文件中以供后续分析。

其使用方法如下：

candump <can-interface>

这里， <can-interface> 是你的CAN设备接口名，例如 can0 。

candump 的输出格式如下：

<timestamp> <can-id>#[data]

数据以十六进制格式记录，其中 <timestamp> 是捕获数据的时间戳（以微秒为单位）， <can-id> 是CAN帧的标识符， [data] 是可选的数据字段。

例如：

(***.116023) can0 123#***

表示在 can0 接口上捕获了一条标识符为 0x123 的CAN帧，数据为 0x*** 。

5.2.2 使用 cansend 发送CAN帧

发送CAN数据帧通常用于测试或特定的通信场景。 cansend 工具可以用来向CAN总线上发送预定义格式的数据帧。

其基本用法是：

cansend <can-interface> <can-id>#[data]

举个例子：

cansend can0 123#***

这条命令会将标识符为 0x123 ，数据为 0x*** 的数据帧发送至 can0 接口。

通过上述两个工具，开发者可以有效地捕获和重放CAN数据帧，这在诊断CAN总线通信问题时非常有用。例如，如果某个数据帧在特定条件下未按预期接收或发送，开发人员可以通过 candump 记录数据，然后使用 cansend 重现该场景以进一步分析问题所在。

can-utils 还提供了其他一些用于数据处理和统计分析的工具，通过合理使用这些工具，可以极大提高CAN总线系统的设计效率和可靠性。下一章节将讨论CAN帧结构和协议规范，深入了解这一领域的核心知识。

6. CAN帧结构与协议规范理解

6.1 CAN帧的结构解析

6.1.1 标识符、控制域及数据域

在CAN通信协议中，每一个CAN帧都包含着信息的关键部分，主要包括标识符（Identifier）、控制域（Control Field）和数据域（Data Field）。

• 标识符 ：用于标示CAN帧的优先级和内容。在标准帧中，这部分占用11位，而扩展帧则使用29位。标识符越小，帧的优先级越高。

• 控制域 ：包括标识符扩展位、保留位和数据长度代码（DLC）。数据长度代码表示数据域中字节的数量，范围从0到8。

• 数据域 ：跟随在控制域之后，包含实际传输的数据。数据域的长度可变，最多允许8字节。

下面是一个标准CAN帧的数据结构，以二进制形式表示：

+----------+----------------+---------------------+--------+
| ID (11b) | Control Field  | Data Field (0-8B)   | CRC    |
+----------+----------------+---------------------+--------+

6.1.2 远程请求帧与错误帧的识别

远程请求帧 是用于请求发送具有特定标识符的帧。它不包含数据域，而是包含请求信息。远程请求帧通过设置RTR位来识别。

错误帧 是当CAN网络中的任何设备检测到错误时发送的特殊帧。它由两个不同字段组成：错误标志（Error Flag）和错误界定符（Error Delimiter）。

错误帧可以由两种错误标志组成：主动错误标志和被动错误标志。主动错误标志表示检测到严重错误，需要立即处理；被动错误标志则表示轻微错误。

6.2 CAN协议规范深入剖析

6.2.1 标准帧与扩展帧的区别

在CAN协议中，标准帧与扩展帧的主要区别在于标识符的位数和格式：

• 标准帧 ：使用11位标识符。
• 扩展帧 ：使用29位标识符，适用于地址空间更大和更复杂的网络。

扩展帧在控制域中有一个额外的标识符扩展位（IDE），当该位为1时表示接下来是扩展帧格式。

6.2.2 CAN协议的错误处理机制

CAN协议采用了多种错误检测和处理机制来保证网络的稳定性和可靠性。主要的错误检测机制包括循环冗余检查（CRC）、帧检查、位填充和信息帧的应答检查。

当设备检测到错误时，它会发送一个错误帧，这导致整个网络上的所有设备停止发送数据，直到错误被解决。错误处理分为两种：

• 自动重传 ：当设备无法成功发送数据时，它会在稍后自动重传。

• 错误限制 ：若设备持续遇到错误，可能会触发其进入错误主动或错误被动状态，减少其对网络的影响。

CAN协议通过这些机制提供了强大的容错能力，从而确保网络在面临各种异常情况时的鲁棒性。

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简介：在Linux操作系统中，通过socket API可实现CAN总线数据的接收和发送，本指南将详细介绍这一过程。首先确认系统支持CAN接口，然后创建CAN socket，设置接口，并通过 recvfrom() 函数接收数据。同时， can-utils 工具集将有助于CAN总线的测试和诊断。理解CAN帧结构和协议规范是构建通信应用程序的关键。

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