CAN总线

一、CAN简介

CAN总线（Controller Area Network Bus）控制器局域网总线.

CAN总线是由BOSCH公司开发的一种简洁易用、传输速度快、易扩展、可靠性高的串行通信总线，广泛应用于汽车、嵌入式、工业控制等领域。

1、CAN总线特征：

•         两根通信线（CAN_H、CAN_L），线路少，无需共地
•         差分信号通信，抗干扰能力强
•         高速CAN（ISO11898）：125k~1Mbps，<40m
•         低速CAN（ISO11519）：10k~125kbps，<1km
•         异步，无需时钟线，通信速率由设备各自约定
•         半双工，可挂载多个设备，多设备同时发送数据时通过仲裁判断先后顺序
•         11位/29位报文ID，用于区分消息功能，同时决定优先级
•         可配置1-8字节的有效载荷
•         可实现广播式和请求式两种传输方式
•         应答、CRC校验、位填充、位同步、错误处理等特性

2、主流通信协议对比

名称	引脚	双工	时钟	电平	设备	应用场景
UART	TX、RX	全双工	异步	单端	点对点	两个设备互相通信
I2C	SCL、SDA	半双工	同步	单端	多设备	一个主控外挂多个模块
SPI	SCK、MOSI、MISO、SS	全双工	同步	单端	多设备	一个主控外挂多个模块（高速）
CAN	CAN_H、CAN_L	半双工	异步	差分	多设备	多个主控互相通信

USR

I2C

SPI

3、CAN硬件电路

1. 每个设备通过CAN收发器挂载在CAN总线网络上；
2. CAN控制器引出的TX和RX与CAN收发器相连，CAN收发器引出的CAN_H和CAN_L分别与总线的CAN_H和CAN_L相连；
3. 高速CAN使用闭环网络，CAN_H和CAN_L两端添加120欧的终端电阻
4. 低速CAN使用开环网络，CAN_H和CAN_L其中一端添加2.2k欧的终端电阻

4、CAN电平标准

CAN总线采用差分信号，即两线电平差（Vcan_h-Vcan_l）传输数据位

高速CAN规定：

                电平差为0V时表示逻辑1（隐性电平）

                电平差为2V时表示逻辑0（显性电平）

低速CAN规定：

                电平差为-1.5V时表示逻辑1（隐性电平）

                电平差为3V时表示逻辑0（显性电平）

5、CAN收发器-TJA1050（高速CAN）

6、CAN物理层特性

7、CAN总线帧格式

CAN总线规定了以下5种类型的帧：

帧类型	用途
数据帧	发送设备主动发送数据（广播帧）
遥控帧	接收设备主动请求数据（请求式）
错误帧	某个设备检测出错误时向其他设备通知错误
过载帧	接收设备通知其尚未做好接收准备
帧间隔	用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开

1、数据帧

• 数据帧各部分用途简介：
• SOF（Start of Frame）：帧起始，表示后面一段波形为传输的数据位
• ID（Identify）：标识符，区分功能，同时决定优先级
• RTR（Remote Transmission Request ）：远程请求位，区分数据帧和遥控帧
• IDE（Identifier Extension）：扩展标志位，区分标准格式和扩展格式
• SRR（Substitute Remote Request）：替代RTR，协议升级时留下的无意义位
• r0/r1（Reserve）：保留位，为后续协议升级留下空间
• DLC（Data Length Code）：数据长度，指示数据段有几个字节
• Data：数据段的1~8个字节有效数据
• CRC（Cyclic Redundancy Check）：循环冗余校验，校验数据是否正确
• ACK（Acknowledgement）：应答位，判断数据有没有被接收方接收
• CRC/ACK界定符：为应答位前后发送方和接收方释放总线留下时间
• EOF（End of Frame ）：帧结束，表示数据位已经传输完毕

数据帧的发展历史

• CAN1.2时期，仅存在标准格式，IDE当时仍保留r1。

• CAN2.0时期，ID不够用，出现了扩展格式，增加了ID的位数，为了区分标准格式与扩展格式，协议将标准中的r1赋予了新的功能。

2、遥控帧

遥控帧无数据段，其他部分与数据帧相同

3、错误帧

总线上所有设备都会监督总线的数据，一旦发现“位错误”或“填充错误”或“ CRC 错误”或“格式错误”或“应答错误” ，这些设备便会发出错误帧来破坏数据，同时终止当前的发送设备

4、过载帧

当接收方收到大量数据而无法处理时，其可以发出过载帧，延缓发送方的数据发送，以平衡总线负载，避免数据丢失

5、帧间隔

• 将数据帧和远程帧 与前面的帧分离开

• 3 位的帧间隔配合 7 位的 EOF 和 8 位的错误 / 过载界定符，可以实现更复杂的优先级控制策略（任何设备检测到连续 11 个隐性电平，即认为总线空闲）

6、位填充

• 7、波形实例

• 标准数据帧，报文ID为0x555，数据长度1字节，数据内容为0xAA

• 标准数据帧，报文ID为0x666，数据长度2字节，数据内容为0x12, 0x34

• 扩展数据帧，报文ID为0x0789ABCD，数据长度1字节，数据内容为0x56

• 标准遥控帧，报文ID为0x088，数据长度1字节，无数据内容

8、接收方数据采样

• CAN总线没有时钟线，总线上的所有设备通过约定波特率的方式确定每一个数据位的时长
• 发送方以约定的位时长每隔固定时间输出一个数据位
• 接收方以约定的位时长每隔固定时间采样总线的电平，输入一个数据位
• 理想状态下，接收方能依次采样到发送方发出的每个数据位，且采样点位于数据位中心附近

接收方数据采样遇到的问题

• 接收方以约定的位时长进行采样，但是采样点没有对齐数据位中心

• 接收方刚开始采样正确，但是时钟有误差，随着误差积累，采样点逐渐偏离

9、位时序

为了灵活调整每个采样点的位置，使采样点对齐数据位中心附近， CAN 总线对每一个数据位的时长进行了更细的划分，分为同步段（ SS ）、传播时间段（ PTS ）、相位缓冲段 1 （ PBS1 ）和相位缓冲段 2 （ PBS2 ），每个段又由若干个最小时间单位（ Tq ）构成

10、硬同步

• 每个设备都有一个位时序计时周期，当某个设备（发送方）率先发送报文，其他所有设备（接收方）收到 SOF 的下降沿时，接收方会将自己的位时序计时周期拨到 SS 段的位置，与发送方位的时序计时周期保持同步

• 硬同步只在帧的第一个下降沿（ SOF 下降沿）有效

• 经过硬同步后，若发送方和接收方的时钟没有误差，则后续所有数据位的采样点必然都会对齐数据位中心附近

11、再同步

• 若发送方或接收方的时钟有误差，随着误差积累，数据位边沿逐渐偏离SS段，则此时接收方根据再同步补偿宽度值（SJW） 通过加长 PBS1 段，或缩短PBS2 段，以调整同步
• 再同步可以发生在第一个下降沿之后的每个数据位跳变边沿

11、波特率计算

12、多个设备同时发送遇到的问题

13、资源分配规则1 - 先占先得

• 若当前已经有设备正在操作总线发送数据帧 / 遥控帧，则其他任何设备不能再同时发送数据帧 / 遥控帧（可以发送错误帧 / 过载帧破坏当前数据）

• 任何设备检测到连续 11 个隐性电平，即认为总线空闲，只有在总线空闲时，设备才能发送数据帧 / 遥控帧

• 一旦有设备正在发送数据帧 / 遥控帧，总线就会变为活跃状态，必然不会出现连续 11 个隐性电平，其他设备自然也不会破坏当前发送

• 若总线活跃状态其他设备有发送需求，则需要等待总线变为空闲，才能执行发送需求

14、资源分配规则2 - 非破坏性仲裁

15、非破坏性仲裁过程

16、数据帧和遥控帧的优先级

17、标准格式和扩展格式的优先级

18、错误类型

19、错误状态

20、错误计数器