CAN 通信协议

CAN(ControllerAreaNetwork)是由BOSCH公司开发的一种通信协议,主要用于汽车网络,现广泛应用于工业自动化等领域。CAN总线由CANH和CANL两条差分线组成,具有无主从和地址区分的特性,每个节点可平等收发数据。其物理层特性包括显性和隐性电平,数据帧包含帧起始、仲裁段、控制段等部分,并通过错误帧、过载帧等进行错误管理。

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CAN 概述

CAN 是Controller Area Network 的缩写(以下称为CAN),它的设计目标是以最小的CPU负荷来高效处理大量的报文。1986 年德国电气商BOSCH公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。此后,CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化,现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。现在,CAN 的高性能和可靠性已被认同,并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

CAN 网络拓扑结构

CAN 总线由两条差分线 CANH 和 CANL 组成,各个节点通过较短的支线接入 CAN 总线。各节点从通信协议而言是没有主从和地址区分的,每个节点均可以平等的收发数据。另外,在CAN 总线的两端各有一个 120Ω的终端电阻,来做阻抗匹配,以减少回波反射。
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CAN 总线物理层特性

显性电平对应逻辑“0”,CANH 和 CANL 压差 2.5V 左右。
而隐性电平对应逻辑“1”,CANH和 CANL 压差为 0V。
在总线上,显性电平具有优先权,只要有一个节点输出显性电平,总线上即为显性电平。而隐形电平则具有包容的意味,只有所有的节点都输出隐性电平,总线上才为隐性电平。
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帧类型

CAN 包含了以下 5 种帧类型。其中数据帧远程帧由用户控制收发;错误帧、过载帧和间
隔帧是 CAN 总线上各节点硬件根据对应状态发送,用户不能也无需控制。

帧类型描述
数据帧数据帧携带数据从发送节点至接收节点
远程帧某节点发出远程帧,请求其他节点发送具有同一识别符的数据帧
错误帧任何节点检测到一总线错误就发出错误帧
过载帧过载帧用以在先行的和后续的数据帧(或远程帧)之间提供一附加的延时
间隔帧又称帧间间隔,用于将上述各种类型的帧隔开

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0 <= N <= 8
SOF = Start of frame
ID = Identifier
RTR = Remote transmission request
IDE = Identifier extension bit
r0 = Reserved bit
DLC = Data length code
CRC = Cyclic redundancy code
Error flag: 6 dominant bits if error active; else, 6 recessive bits.
Suspend transmission: Only applies to error passive node.
EOF = End of frame
ACK = Acknowledge bit

数据帧

标准帧

一帧标准数据帧包含如下部分:

  • 帧起始: 为 1bit 显性位。由于 CAN 总线空闲时是隐性电平,帧起始的显性位用于提示总线上的节点“一帧信息传输开始了”。
  • 仲裁段: 表示该帧优先级的段,包含标识符和帧类型(数据/远程帧)。
  • 控制段: 表示数据的字节数、标识符类型(标准/扩展标识符)及保留位的段。
  • 数据段: 数据,一帧可发送 0~8 个字节的数据(数据长度根据控制段的 DLC 决定)。
  • CRC 段: 发送节点将 CRC 计算区域(不包含填充位)进行 CRC 计算后放入 CRC 段发送。接收节点也对 CRC 计算区域进行 CRC 计算,并与收到的 CRC 域进行对比,若 CRC 对比结果有误则向总线发送错误帧,若对比结果正确则随后发送应答。
  • ACK 段: 含应答位(ACK SLOT)和应答间隔符(ACK DELIMITER)。发送节点在 ACK 段均发送隐性电平;接收节点如果在接收过程中没有检测到错误,则在应答位输出 1bit 显性电平,以通知发送节点“这帧数据被正确的接收了”。
  • 帧结束: 表示数据帧结束的段,为 7bit 隐性电平。
    在这里插入图片描述

检测到位流里有 5 个连续相同值的位,便自动在位流里插入一相反电平的填充位。位填充的范围为帧起始(SOF)~CRC 域(不含 CRC 间隔符)。
例如,原始数据流为“0000000111110001”,经过位填充后实际输出到 CAN 总线的数据流为“000001001111100001”。

标准数据帧示例

测试代码

  uint8_t transmit_mailbox;
  can_tx_message_type tx_message_struct;
  tx_message_struct.standard_id = 0x400;                             /* 设置发送数据帧的 ID=0x400 */
  tx_message_struct.extended_id = 0;                                 /* 扩展标识符:标准帧不启用 */
  tx_message_struct.id_type = CAN_ID_STANDARD;                       /* 发送数据帧类型(标准/扩展):标准数据帧*/
  tx_message_struct.frame_type = CAN_TFT_DATA;                       /* 发送帧类型(远程/数据):数据帧 */
  tx_message_struct.dlc = 4;                                         /* 发送数据长度(0~8):8 */
  tx_message_struct.data[0] = 0x01;                                  /* 第 1byte 数据:0x11 */
  tx_message_struct.data[1] = 0x02;                                  /* 第 2byte 数据:0x22 */
  tx_message_struct.data[2] = 0x03;                                  /* 第 3byte 数据:0x33 */
  tx_message_struct.data[3] = 0x04;                                  /* 第 4byte 数据:0x44 */
  transmit_mailbox = can_message_transmit(CAN1, &tx_message_struct); /* 将以上待发送报文写入发送邮箱并请求发送 */
  while (can_transmit_status_get(CAN1, (can_tx_mailbox_num_type)transmit_mailbox) != CAN_TX_STATUS_SUCCESSFUL)
    ; /* 等待该邮箱发送成功—对应邮箱发送成功标志置起 */

CAN数据收发器接收:
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CAN协议数据分析:
在这里插入图片描述

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