CAN通信协议小结

Xavier.Lin

已于 2024-12-02 23:19:29 修改

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分类专栏：嵌入式文章标签：嵌入式硬件

于 2024-12-02 23:15:11 首次发布

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内容为观看了B战江协科技后个人小结，江协科技的内容很好，大家可以去看看：江协科技CAN总线入门教程

CAN(Controller Area Network)

为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。简洁易用，易扩散，可靠性高。

一、CAN硬件电路

只有两根总线：CAN_H，CAN_L

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

高速（ISO 11898），125kbps~1Mbps，最长40m，采用闭环网络，两端添加120Ω终端电阻

低速（ISO 11519-2），125kbps以下，最长1km，采用开环网络，两根线一端添加2.2kΩ终端电阻

总线样式

高速CAN两端添加的120Ω电阻作用是：

1、防止回波反射，波形会在线路终端反射，进而干扰原始信号

2、没有设备操作时，将两根差分线的电压收紧，使其电压一致

二、CAN电平标准

CAN总线采用差分信号，即两线电压差（VCAN_H-VCAN_L）传输数据位

0表示显性，1表示隐形，根据线与的特性，0(显性)具有更高优先级

高速CAN规定：

电压差为0V时表示逻辑1（隐性电平）

电压差为2V时表示逻辑0（显性电平）

低速CAN规定：

电压差为-1.5V时表示逻辑1（隐性电平）

电压差为3V时表示逻辑0（显性电平）
电平样式

三、CAN总线帧格式

帧类型	用途	概要
数据帧	发送设备主动发送数据（广播式）	最常用的，分为标准和扩展
遥控帧	接收设备主动请求数据（请求式）	无数据段，RTR为1
错误帧	某个设备检测出错误时向其他设备通知错误	连续6位显性或隐形
过载帧	接收设备通知其尚未做好接收准备	请求延迟发送数据
帧间隔	用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开	空出11个隐形电平

数据帧格式

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，标准数据帧ID位位11位，最大值位0x7FF
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

对于ACK应答位，虽然发出的为1，但是往往看到的都是0，因为接收方会立刻发输出0，所以我么们看到的就是，发送方发出的0

位填充

当发送方连续出现5个相同的电平时，自动追加一个相反电平的填充位，接收方接收到填充位时，会自动移除填充位恢复原始数据。

例如：

即将发送： 100000110 10000011110 0111111111110

实际发送： 1000001110 1000001111100 011111011111010

实际接收： 1000001110 1000001111100 011111011111010

移除填充后： 100000110 10000011110 0111111111110

如果填充位与后边的四个相同，则需要再次进行填充

位填充的作用：

增加波形的定时信息，利于接收方执行“再同步”，防止波形长时间无变化，导致接收方不能精确掌握数据采样时机
将正常数据流与“错误帧”和“过载帧”区分开，标志“错误帧”和“过载帧”的特异性(正常情况下不会连续六个相同的电平)
保持CAN总线在发送正常数据流时的活跃状态，防止被误认为总线空闲(连续11个隐形则认为总线空闲)

四、接收方数据采样

CAN总线没有时钟线，总线上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

可能会遇到的问题：

采样点没有在数据中心附近，而在电平变化的地方由硬同步解决

时钟有误差，误差积累导致偏离

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

位时序

在SS段发送数据，数据跳变沿正好出现在SS段

PTS用于吸收物理延迟

采样点位于PBS1和PBS2之间，用于确定采样点的位置

硬同步

已知，发送数据的时候，发送方的跳变沿处于SS段，但是接收方或许有误差，所以不在SS段，二为了更好的同步，所以当接收方接收到SOF的下降沿的时候，会将自己的位时序周期拨到SS段的位置，与发送方的位时序及计时周期保持同步

硬同步旨在真的第一个下降沿(SOF下降沿)有效

经过硬同步的调整之后，数据的采样点必然会对齐数据位中心附近

硬同步

再同步

用于调整时钟误差

当发送方与接收方有时钟误差的时候，随着积累，数据位边沿逐渐偏离SS段

这时候接收方会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

再同步在发生第一个下降沿以后每个数据位的跳变沿

再同步

当跳变沿出现在PTS和PBS1之间的时候会加长PBS1段，以达到同步

当跳变沿出现在PBS2之中的时候，会缩短PBS2段，以达到同步

SJW为人为设定，为1~4Tq，太长或太短都不好，且SJW设定的值为最大值，当调整的时候可以调整更小的值

波特率计算

波特率 = 1 / 一个数据位的时长 = 1 / (TSS + TPTS + TPBS1 + TPBS2)

单位为bps，比特每秒

五、多设备同时发送

1、先占先得：若已经有设备在操作总线，则其他设备只能等待设备操作完成，只有等到总线出现11个隐形电平，即认为总线空闲，才能进行发送（错误帧和过载帧可以发送，用于破坏当前数据）

2、非破坏性仲裁：若多个设备的发送需求同时到来或因等待二同时到来，则CAN总线会根据仲裁段(ID号+RTR)来进行非破坏性仲裁，冲裁段小(优先级高)的获得控制权

线与特性：总线上任何一个设备发送显性电平0时，总线会呈现显性电平0状态（0 & X & X = 0）。ID号小的显性电平0会先出现，经过线与后结果为0，所以具有更高优先级
回读机制：每个设备发出一个数据位后，都会回读总线当前电平状态，以确保自己的电平背真实的发出去了，当自己发出了1，但是回读了0，说明有比自己优先级更高的设备正在发送，因此会停止发送。

当ID号相同时，数据帧(RTR为0)比遥控帧(RTR为1)拥有更高优先级，标准格式(RTR为0)比扩展格式(SRR为1)拥有更高优先级，遥控帧(IDE为0)比扩展格式(IDE为1)拥有更高优先级