Linux SocketCAN 编程（C++，启用多线程接收）

SocketCAN 采用常用的 Socket 网络编程接口来封装 CAN 协议，可以使开发人员几乎无压力地使用 CAN。SocketCAN 编程的思路与 Socket 网络编程几乎一样。socket() 函数返回一个 socketcan 的句柄，后续的操作都是基于这个句柄的。第一个参数第二个参数指定了 socket 的类型。常用的有第三个参数表示指定的协议。常用的协议有。......

地球被支点撬走啦

14681人浏览 · 2022-08-18 12:04:23

地球被支点撬走啦 · 2022-08-18 12:04:23 发布

1、使用指令设置can参数

2、使用 socket() 函数创建一个 socketcan 套接字

3、使用 ioctl() 函数将套接字与 can 设备绑定

4、使用 setsockopt() 函数设置过滤规则（接收滤波器）

5、CAN ID 过滤规则解析

6、使用 write() 函数和 can_frame 结构体发送数据

7、使用 read() 函数和 can_frame 结构体接收数据

8、将接收代码放到线程中处理

9、完整的初始化代码

SocketCAN 采用常用的 Socket 网络编程接口来封装 CAN 协议，可以使开发人员几乎无压力地使用 CAN。SocketCAN 编程的思路与 Socket 网络编程几乎一样。

SocketCAN 首先需要用到的头文件：

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

1、使用指令设置can参数

#define ip_cmd_set_can0_params "ip link set can0 type can bitrate 1000000 triple-sampling on"
#define ip_cmd_can0_up         "ifconfig can0 up"
#define ip_cmd_can0_down       "ifconfig can0 down"

// 使用系统调用函数运行以上命令，也可以自行在终端中运行
system(ip_cmd_set_can0_params); // 设置参数
system(ip_cmd_can0_up);  // 开启can0接口

2、使用 socket() 函数创建一个 socketcan 套接字

int can_fd = socket(AF_CAN, SOCK_RAW, CAN_RAW);

socket() 函数返回一个 socketcan 的句柄，后续的操作都是基于这个句柄的。

socket() 函数定义如下：

int socket (int domain, int type, int protocol)

第一个参数 domain 代表协议族，协议族定义了 socket 的地址类型，一般常用的：

AF_INET 代表 IPv4（32位）与端口号的组合
AF_INET6 代表 IPv6
AF_CAN 就是 CAN 了

第二个参数 type 指定了 socket 的类型。常用的有

SOCK_STREAM 表示流套接字, 提供顺序、可靠、双向、基于连接的字节流。可以支持带外数据传输机制，例如：TCP协议、FTP协议
SOCK_DGRAM 表示数据包套接字, 支持数据报（无连接，不可靠的固定最大长度的消息）例如UDP协议
SOCK_RAW 表示原始套接字，使用原始套接字时候调用，原始套接字也就是链路层协议。CAN 就是用的这个类型

第三个参数 protocol 表示指定的协议。常用的协议有

IPPROTO_TCP，表示TCP传输协议
IPPTOTO_UDP，表示UDP传输协议
CAN_RAW，表示CAN传输协议

3、使用 ioctl() 函数将套接字与 can 设备绑定

struct ifreq ifr;  // ifreq 结构体用来保存某个接口的信息，定义在头文件 if.h 中
strcpy(ifr.ifr_name, "can0");
ioctl(can_fd, SIOCGIFINDEX, &ifr); // 指定 can0 设备，并获取设备索引

struct sockaddr_can addr;
addr.can_family = AF_CAN;  // 指定协议族
addr.can_ifindex = ifr.ifr_ifindex;  // 设备索引
// 将套接字与 can0 绑定
int bind_res = bind(can_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));

4、使用 setsockopt() 函数设置过滤规则（接收滤波器）

/********************* 过滤规则设置 *********************/
// CAN_SFF_MASK 0x000007FFU 定义在 can.h 中 (SFF: standard frame format)
struct can_filter rfilter[3];  // 定义过滤规则数组，结构体 can_filter 是库函数定义好的
rfilter[0].can_id = Group1_ID1;
rfilter[0].can_mask = CAN_SFF_MASK; // 标准帧 (SFF: standard frame format)
    
rfilter[1].can_id = Group1_ID2;
rfilter[1].can_mask = CAN_SFF_MASK; // 标准帧

rfilter[2].can_id = Group1_ID3;
rfilter[2].can_mask = CAN_SFF_MASK; // 标准帧

setsockopt(can_fd, SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_FILTER, &rfilter, sizeof(rfilter));

如上述代码所示，可以用 can_filter 数组的形式（最多512个）设置一组过滤规则。

接下来看下代码中结构体 can_filter 的定义：

struct can_filter {
	canid_t can_id;
	canid_t can_mask;
};

在这个结构体中定义了两个 canid_t (unsigned int) 型的变量，其中 can_id 的作用是过滤器 filter ，can_mask 用来做 filter 的掩码，匹配过滤器的规则如下：

<received_can_id> & mask == can_id & mask

翻译一下就是接收数据帧的 ID（received_can_id）与 mask 相与的结果要和 filter（can_id）与 mask 相与的结果相同。如果还没理解怎么办呢？接着往下看呗～

5、CAN ID 过滤规则解析

过滤规则由 filter 和 mask 这两部分组成（都是 unsigned int 类型）。mask 用来决定接收到的数据帧 ID 中的哪些位会与 filter 进行比较，具体规则如下：

如果 mask 的某个 bit 被设置为 0，则接收 ID 相同位置上的 bit 将会被接受，而不管这个位置的值是 0 还是 1
如果 mask 的某个 bit 被设置为 1，则接收 ID 相同位置上的 bit 将会与 filter 对应位置上的 bit 进行对比，如果两者相同，则该帧数据将被接收，否则将被丢弃

举几个例子：

1、我们只接收 ID 为 0x00001234 的数据帧，则 filter 和 mask 的设置如下：

filter = 0x00001234;
mask = 0x1FFFFFFF;

由于 mask 的低 29 位全是 1，则到达的数据帧必须与 filter 逐位对比，所有 bit 都匹配的时候才会被接收，因此此时只能接收 ID 为 0x00001234 的数据帧。

2、我们接收 ID 为 0x00001230 ～ 0x00001237 的数据帧，则 filter 和 mask 的设置如下：

filter = 0x00001230;
mask = 0x1FFFFFF8;

由于 mask 的低 3 位都是 0，则到达的数据帧的低 3 位将会被忽略对比，其他 bit 仍会参与与 filter 的对比，因此此时可以接收 ID 为 0x00001230 ～ 0x00001237 这 8 种类型的数据帧。

3、接收所有帧

filter = 0;
mask = 0;

6、使用 write() 函数和 can_frame 结构体发送数据

struct can_frame frame;  // 声明 can 帧结构体，can_frame 定义在头文件 can.h 中

frame.data[0] = 0xFF;  // 要发送的（最多）8个字节的数据
frame.data[1] = 0xFF;
frame.data[2] = 0xFF;
frame.data[3] = 0xFF;
frame.data[4] = 0xFF;
frame.data[5] = 0xFF;
frame.data[6] = 0xFF;
frame.data[7] = 0xFC;

/************ 写数据 ************/
frame.can_dlc = 8;  // 设置数据长度（CAN协议规定一帧最多有八个字节的有效数据）
frame.can_id = 1;    // 设置 ID 号，假设这里 ID 号为1，实际的 ID 号要根据是标准帧（11位）还是拓展帧（29）位来设置
write(can_fd, &frame, sizeof(frame));  // 写数据

7、使用 read() 函数和 can_frame 结构体接收数据

struct can_frame status;   // can_frame 结构体定义在头文件 can.h 中
read(can_fd, &status, sizeof(status));  // 读取数据，读取到的有效数据保存在 status.data[] 数组中

8、将接收代码放到线程中处理

由于我们可能需要很频繁地接收数据，因此可以使用多线程的方法在线程中进行数据帧的接收。C++ 使用多线程需要使用到以下头文件：

#include <thread>
#include <condition_variable>
#include <mutex>

线程的创建与使用都听简单，如下：

加入我封装了一个 can 接收函数如下：

int can_get_status(int can_fd, struct get_params &status_now)
{
   // ......
}

函数功能是将 can_fd 接收到的有限数据的数据位解析之后存放在结构体 status_now 中，则将该接收函数放入线程的方法如下：

thread can0read_thread(can_get_status, can_fd, std::ref(status_now));  // 此句执行完线程即开始执行
can0read_thread.detach();  // 将线程放到后台执行，此处不阻塞 or can0read_thread.join();

thread 为线程类型，can0read_thread 为定义的线程名，第一个参数 can_get_status 是线程函数名，后面根的的参数是线程函数的参数。其中需要注意的是：对于引用传参必须要在参数上加上 std::ref() 进行转换。

首先需要说明的是，线程在创建完之后会即刻开始执行。

can0read_thread.detach() 代表将线程放到后台执行，这里的主线程会继续往下执行，适用于线程中有 while 循环等情况。

can0read_thread.join() 代表主线程运行到这里的时候将等待这个子线程 can0read_thread 运行完之后才会继续往下执行，如果子线程里是一个 while(1) 死循环的话，这样做将会导致主线程一直阻塞在这里，因此需要用 detach 还是 join 需要是情况而定。

另外一点需要注意的是：这里使用到了 C++ 的 thread 库，在编译时需要加上 pthread 库，要不然会报错，比如编译 socketcan_test.cpp 的文件，则需要以下命令：

g++ socketcan_test.cpp -o test -l pthread

-l 指令其实就是 library，就是在编译时要加上 pthread 库的依赖。

9、完整的初始化代码

#define ip_cmd_set_can0_params "ip link set can0 type can bitrate 1000000 triple-sampling on"
#define ip_cmd_can0_up         "ifconfig can0 up"
#define ip_cmd_can0_down       "ifconfig can0 down"
/*************************************
 * @brief 初始化 SocketCAN0
 * @param none
 * @return -1: error, 0:success
 ************************************/
int can_init(void)
{
    // /******************** 通过 ip 指令设置 can0 参数 ********************/
    // system(ip_cmd_set_can0_params); // 波特率 1Mbps
    // system(ip_cmd_can0_up);  // 开启 can0

    /******************** 通过 ip 指令设置 can0 参数 ********************/
    // 创建socket can
    int can_fd = socket(AF_CAN, SOCK_RAW, CAN_RAW);
    if(can_fd < 0)
    {
        perror("socket can creat error!\n");
        return -1;
    }

    /********************* 绑定 can0 设备与 socket *********************/
    struct ifreq ifr;  // if.h
    strcpy(ifr.ifr_name, "can0");
    ioctl(can_fd, SIOCGIFINDEX, &ifr); // 指定编号为 can0 的设备，获取设备索引

    struct sockaddr_can addr;
    addr.can_family = AF_CAN;  // 指定协议族
    addr.can_ifindex = ifr.ifr_ifindex;  // 设备索引
    // 将套接字与 can0 绑定
    int bind_res = bind(can_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
    if(bind_res < 0)
    {
        perror("bind error!");
        return -1;
    }

    /********************* 过滤规则设置 *********************/
    // CAN_SFF_MASK 0x000007FFU  (SFF: standard frame format)
    // 此处设置三组过滤规则，只接收 ID 为 1、2、3 的三种数据帧
    struct can_filter rfilter[3];
    rfilter[0].can_id = 1;
    rfilter[0].can_mask = CAN_SFF_MASK; // 标准帧 (SFF: standard frame format)
    
    rfilter[1].can_id = 2;
    rfilter[1].can_mask = CAN_SFF_MASK; // 标准帧

    rfilter[2].can_id = 3;
    rfilter[2].can_mask = CAN_SFF_MASK; // 标准帧

    setsockopt(can_fd, SOL_CAN_RAW, CAN_RAW_FILTER, &rfilter, sizeof(rfilter));

    return can_fd;
}