CAN总线系列二：时序以及数据帧分析

由于CAN总线是异步的，也就是没有时钟线，像串口那样设置好波特率然后进行通信。因此使得其协议时序就很重要。

一、位时序

1、时序简介

为了实现位同步， CAN协议把每一个数据位的时序分解成SS段、 PTS段、PBS1段、 PBS2段，这四段的长度加起来即为一个CAN数据位的长度。分解后最小的时间单位是Tq，而一个完整的位由8~25个Tq组成。

图中表示的CAN通讯信号每一个数据位的长度为19Tq，其中SS段占1Tq， PTS段占6Tq， PBS1段占5Tq， PBS2段占7Tq。信号的采样点位于PBS1段与PBS2段之间，通过控制各段的长度，可以对采样点的位置进行偏移，以便准确地采样。

2、每个段的含义

a、SS段(SYNC SEG)

SS译为同步段，若通讯节点检测到总线上信号的跳变沿被包含在SS段的范围之内，则表示节点与总线的时序是同步的，当节点与总线同步时，采样点采集到的总线电平即可被确定为该位的电平。 SS段的大小固定为1Tq。

b、PTS段(PROP SEG)

PTS译为传播时间段，这个时间段是用于补偿网络的物理延时时间。是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时总和的两倍。 PTS段的大小可以为1~8Tq。

c、PBS1段(PHASE SEG1)

PBS1译为相位缓冲段，主要用来补偿边沿阶段的误差，它的时间长度在重新同步的时候可以加长。 PBS1段的初始大小可以为1~8Tq。

d、PBS2段(PHASE SEG2)

PBS2这是另一个相位缓冲段，也是用来补偿边沿阶段误差的，它的时间长度在重新同步时可以缩短。 PBS2段的初始大小可以为2~8Tq。

二、通讯波特率

总线上的各个通讯节点只要约定好1个Tq的时间长度以及每一个数据位占据多少个Tq，就可以确定CAN通讯的波特率。

例如，假设上图中的1Tq=1us，而每个数据位由19个Tq组成，则传输一位数据需要时间T1bit =19us，从而每秒可以传输的数据位个数为：

1x10^6/19 = 52631.6 (bps)

这个每秒可传输的数据位的个数即为通讯中的波特率。

注意：STM32里面只有SS段、PBS1段、 PBS2段这三个段。如下图：

三、数据帧格式

数据帧格式如下图：

数据帧以一个显性位(逻辑0)开始，以7个连续的隐性位(逻辑1)结束，在它们之间，分别有仲裁段、控制段、数据段、 CRC段和ACK段。
a、帧起始

SOF段(Start Of Frame)，译为帧起始，帧起始信号只有一个数据位，是一个显性电平，它用于通知各个节点将有数据传输，其它节点通过帧起始信号的电平跳变沿来进行硬同步。

b、仲裁段

仲裁段ID的优先级也影响着接收设备对报文的反应。因为在CAN总线上数据是以广播的形式发送的，所有连接在CAN总线的节点都会收到所有其它节点发出的有效数据， 因而CAN控制器大多具有根据ID过滤报文的功能，它可以控制自己只接收某些ID的报文。

当同时有两个报文被发送时，总线会根据仲裁段的内容决定哪个数据包能被传输，这也是它名称的由来。仲裁段的内容主要为本数据帧的ID信息(标识符)，数据帧具有标准格式和扩展格式两种，区别就在于ID信息的长度，标准格式的ID为11位，扩展格式的ID为29位，它在标准ID的基础上多出18位。

在CAN协议中， ID起着重要的作用，它决定着数据帧发送的优先级，也决定着其它节点是否会接收这个数据帧。 CAN协议不对挂载在它之上的节点分配优先级和地址，对总线的占有权是由信息的重要性决定的，即对于重要的信息， 可给它打包上一个优先级高的ID，使它能够及时地发送出去。也正因为它这样的优先级分配原则，使得CAN的扩展性大大加强，在总线上增加或减少节点并不影响其它设备。

报文的优先级，是通过对ID的仲裁来确定的。根据前面对物理层的分析我们知道如果总线上同时出现显性电平和隐性电平，总线的状态会被置为显性电平， CAN正是利用这个特性进行仲裁。

若两个节点同时竞争CAN总线的占有权，当它们发送报文时，若首先出现隐性电平，则会失去对总线的占有权，进入接收状态。在开始阶段，两个设备发送的电平一样，所以它们一直继续发送数据。到了图中箭头所指的时序处，节点单元1发送的为隐性电平，而此时节点单元2发送的为显性电平，由于总线的“线与”特性使它表达出显示电平，因此单元2竞争总线成功，这个报文得以被继续发送出去。

c、控制段

在控制段中的r1和r0为保留位，默认设置为显性位。它最主要的是DLC段(Data Length Code)，译为数据长度码，它由4个数据位组成，用于表示本报文中的数据段含有多少个字节， DLC段表示的数字为0~8。

d、数据段

数据段为数据帧的核心内容，它是节点要发送的原始信息，由0~8个字节组成， MSB先行。

e、CRC段

为了保证报文的正确传输， CAN的报文包含了一段15位的CRC校验码，一旦接收节点算出的CRC码跟接收到的CRC码不同，则它会向发送节点反馈出错信息，利用错误帧请求它重新发送。 CRC部分的计算一般由CAN控制器硬件完成，出错时的处理则由软件控制最大重发数。在CRC校验码之后，有一个CRC界定符，它为隐性位，主要作用是把CRC校验码与后面的ACK段间隔起来。

f、ACK段

ACK段包括一个ACK槽位，和ACK界定符位。类似I2C总线，在ACK槽位中，发送节点发送的是隐性位，而接收节点则在这一位中发送显性位以示应答。在ACK槽和帧结束之间由ACK界定符间隔开。

g、帧结束

EOF段(End Of Frame)，译为帧结束，帧结束段由发送节点发送的7个隐性位表示结束。

另外：根据CAN标准，当CAN总线上出现5连个连续的相同电平时，会自动插入1个反向电平（如：当出现5个连续的0则插入一个1，反之一样）。