CAN总线简单介绍
时间：2023-07-16 02:37:00
什么是CAN总线？
Controller Area Network，简称CAN或者CAN bus) 是最早的串行总线标准，功能丰富CAN控制芯片应用于梅赛德斯-奔驰并大规模生产。由于支持多主机和多从机的优点，所有控制器、传感器和电子设备的直接通信只需要两条线路，大大优化了整车的布线。
随着技术的不断发展，CAN国际标准组织公布了相应的标准和标准CAN不同标准；
| 标准 | 涵盖内容 |
|---|---|
| ISO 11898-1 | 数据链路层 |
| ISO 11898-2 | 高速CAN的物理层 |
| ISO 11898-3 | 低速容错CAN的物理层 |
ISO 11898-1，ISO 11898-2是相应的设计标准，去搜索就能知道这个技术点是怎么设计的。
物理层
差分信号
这里我们来介绍一下物理层，什么是物理层？CAN传输电信号的过程。CAN是串行异步通信，只有CAN_HIGH和CAN_LOW通过差分信号通信两条差分信号线，其优点是可以增加信号的抗干扰能力，抑制共模信号的干扰；
如下图所示；
因此，在将信号转换为一个字节和一个字节的数字信号之前，按照这种差异形式的模拟信号传输信号。
当CAN_HIGH减去CAN_LOW当大于一个阈值时，它可以被视为高逻辑，相反，当小于一个阈值时，它变得低逻辑。
让我们再来看看CAN如何连接总线设备？
连接方式
CAN总线支持在总线上挂载多个节点，类似I2C总线，可以在SCL和SDA多个从机挂载在上面，如下图所示；
不过CAN其实总线没有主从的概念，每个设备都是节点（Node），与节点相比，节点可以直接相互通信I2C总线，CAN总线设置终端电阻，常见的闭环连接模式，相对于开环连接模式。
在不同的连接模式下，它们的通信速即高速CAN和低速CAN的区别。
两条线形成一条双绞线，连接120Ω特性阻抗。ISO 11898-2，又称高速CAN。它在总线两端均接120Ω电阻。
使用了120Ω终端电阻(这是CAN的ISO该模型的最高通信速率在标准中规定）1Mbps，以下是传输距离与传输速度的关系；
CAN总线长度与信号速率之间的关系
高速CAN拓扑结构如下所示；
还有一种是低速CAN，或者也叫容错CAN，低速容错 CAN 总线将通讯的最大带宽从1 Mbps降低到125 Kbps，不再在总线使用两个终端电阻，而是将电阻分布在每个节点上。如下图所示；
由于高速CAN和低速CAN拓扑结构不同，终端电阻分布不同，因此CAN_HIGH和CAN_LOW这里有隐性电平和显性电平。
硬件上的连接基本上已经弄清楚了。以下是如何实现CAN节点。让我们简单介绍一下。
CAN节点
CAN节点通常分为三部分；
-
MCU/CPU；
-
CAN控制器，
-
CAN收发器；
通常，一些单片机集成在相应的内部CAN控制器外设，比如我们常用的单片机——STM32，所以我们常见的结构通常是这样的。
因此，整个过程如下：
-
CAN差分通过总线数据传输信号；
-
CAN收发器将差分信号转换为TTL电平信号，或者将TTL将电平信号转换为差分信号；
-
CAN控制器将TTL接收电平信号并传输给MCU；
那么，对于单片机开发者来说，最终需要关注的是CAN传输给控制器MCU如何配置数据CAN以及使用控制器CAN控制数据的读取和发送。
既然这样，我们就不得不去了解一下CAN总线的通信原理，如何寻址，上层协议如何规定。
CAN协议
CAN协议类似于网络协议，分层设计理念；
按照我的理解；
-
物理层是上述硬件拓扑结构，包括高速CAN和低速CAN，而CAN收发器属于物理层；
-
传输层则是CAN控制器需要做的事情，包括CAN时间顺序、同步、新闻仲裁、确认、错误检查等都很复杂。如果只是应用开发，我觉得简单了解一下就够了；这一层需要做的工作包括:
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故障约束；
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错误监测；
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消息验证；
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信息确认；
-
仲裁；
-
信息帧；
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传输速率和时间；
-
路由信息；
-
-
对象层，MCU我们需要属于这一层CAN信息过滤设置，CAN新闻处理等；
-
应用层是基于对象层的进一步同的应用层CAN工业自动化等标准
CANopen，汽车诊断ISO 14229 定义的UDS等等；
如何寻址？
CAN总线上的每个节点都不需要设置节点地址，而是通过新闻标识符（Identifier）区分信息CAN总线的消息是广播的(也就是大家都能收到消息)，比如总线有节点A，节点B，节点C，然后节点A发消息，节点B和节点C都会收到消息；
节点B 和 节点C 根据消息标识符，以及B和C比较新闻过滤规则，如果不符合规则，则不接受信息。
这里需要注意的是：
-
发消息时，总线必须空闲；
-
标识符越小，消息获取总线的优先级越高；
在这里，我们已经知道如何找到网站了。让我们来看看消息帧。
帧类型
CAN有四种帧类型：
-
数据帧：用于传输节点数据的帧
-
远程帧：要求传输特定标志符的帧
-
错误帧：由任何检测到错误节点发送的帧
-
过载帧：在数据帧或远程帧之间插入延迟的帧
在这里，我们有必要关注它数据帧，继续介绍各种帧之间的区别。
数据帧
数据帧分为标准帧和扩展帧两种格式；
-
基本帧格式：11个标志符位
-
扩展帧格式有29个标志符位
数据帧的结构具体如下所示；
数据帧格式
简要介绍数据帧的细节；
-
sof：start of frame，表示数据帧开始；(1 bit） -
Identifier：标准格式11 bit，扩展格式29 bit包括Base Identifier（11 bit）和Extended Identifier（18 bit），该段识别数据帧优先级，数值越小，优先级越高； -
RTR：远程传输请求位，0时表示为数据帧，1表示为远程帧，也就是说RTR=1时，消息帧的Data Field为空；（1 bit） -
IDE：标识符扩展位，0时表示为标准格式，1表示为扩展格式；（1 bit） -
DLC：数据长度代码，0~8表示数据长度为0~8 Byte；（4 bit） -
Data Field：数据域；（0~8 Byte） -
CRC Sequence：校验域，校验算法, -
DEL：校验域和应答域的隐性界定符；（1 bit） -
ACK：应答，确认数据是否正常接收，所谓正常接收是指不含填充错误、格式错误、 CRC 错误。发送节点将此位为1，接收节点正常接收数据后将此位置为0；（1 bit） -
SRR：替代远程请求位，在扩展格式中占位用，必须为1；（1 bit） -
EOF：连续7个隐性位（1）表示帧结束；（7 bit） -
ITM：帧间空间，Intermission (ITM)，又称Interframe Space(IFS)，连续3个隐性位，但它不属于数据帧。帧间空间是用于将数据帧和远程帧与前面的帧分离开来的帧。数据帧和远程帧可通过插入帧间空间将本帧与前面的任何帧（数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧）分开。过载帧和错误帧前不能插入帧间空间。
远程帧
一般地，数据是由发送单元主动向总线上发送的，但也存在接收单元主动向发送单元请求数据的情况。远程帧的作用就在于此，它是接收单元向发送单元请求发送数据的帧。远程帧与数据帧的帧结构类似，如上图X所示。远程帧与数据帧的帧结构区别有两点：
-
数据帧的 RTR 值为“0”，远程帧的 RTR 值为“1”
-
远程帧没有数据块
远程帧的 DLC 块表示请求发送单元发送的数据长度（Byte）。当总线上具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时，由于数据帧的 RTR 位是显性的，数据帧将在仲裁中赢得总线控制权。
错误帧
用于在接收和发送消息时检测出错误时，通知错误的帧。错误帧由错误标志和错误界定符构成。错误帧的帧结构如图11示。
-
错误标志：
个显性/隐性重叠位
-
主动错误标志（6个显性位）：处于主动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志
-
被动错误标志（6个隐性位）：处于被动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志
-
-
错误界定符：8 个隐性位
过载帧
过载帧是用于接收单元通知发送单元它尚未完成接收准备的帧。在两种情况下，节点会发送过载帧：
-
接收单元条件的制约，要求发送节点延缓下一个数据帧或远程帧的传输；
-
帧间空间（Intermission）的 3 bit 内检测到显性位
每个节点最多连续发送两条过载帧。过载帧由过载标志和过载界定符（8 个隐性位）构成。数据帧的帧结构如图12所示。
can_overload_frame
这里基本把帧介绍完了，但是每个节点之间的通讯，我们如何知道这一帧开始接收了，这一帧已经接收结束了呢？下面就需要了解一下消息的时序和消息同步的方法。
消息时序以及同步
位时序
在讲CAN消息时序和同步之前，我们可以对照一下UART串口的传输协议，他有起始位和停止位，然后大家都规定使用相同的通讯速率（波特率）；
其实CAN通讯也是类似的方式，它属于异步通讯，没有时钟信号线，所以所有节点之间要约定好使用相同的波特率来传输数据。
在总线空闲一段时间后，在（起始位） 进行硬同步，同步方式是将每一位划分成多个称为量子的时间段（time quanta），并分配一定数量的量子到位中的四个阶段完成的。
这四个阶段分别为：
-
SYNC_SEG：同步段，1 个时间量子长度。它用于同步各种总线节点； -
PROP_SEG：传播段，1~8 时间量子长度。它用于补偿网络上的信号延迟。 -
PHASE_SEG_1：相位缓冲段1，1~8 时间量子长度。它用于补偿边缘相位误差，在重新同步期间可能会延长。 -
PHASE_SEG_2：相位缓冲段2，2~8 时间量子长度。它用于补偿边缘相位误差
具体如下图所示；
位时序
波特率
如何计算波特率，需要知道每个量子时间的长度（time quanta），以及每一位需要多少个量子时间，
假设这里time quanta = 1us ，并且1 bit = 8 tq，那么上图中的波特率就应该是：
消息过滤器
前面有提到消息在CAN总线上是广播式的，但并不是所有节点都会对总线上所有消息感兴趣。节点通过控制器中过滤码（Filter Code ）和掩码（Mask Code），再检验总线上消息的标识符，来判断是否接收该消息（Message Filtering）。
对于掩码，“1”表示该位与本节点相关，“0”表示该位与本节点不相关。举例如下：
例1：仅接收消息标识符为00001567（十六进制）的帧
-
设置过滤码为
00001567 -
设置掩码为
1FFFFFFF
节点检测消息的标识符的所有位（29位），如果标识符为00001567接收，否则舍弃。
例2：接收消息标识符为00001567 到0000156F 的帧
-
设置过滤码为
00001560 -
设置掩码为
1FFFFFF0
节点检测消息的标识符的高25位，最低的4位则不care。如果标识符最高25位相同则接收，否则舍弃。
例3：接收消息标识符为00001560 到 00001567 的帧
-
设置过滤码为
00001560 -
设置掩码为
1FFFFFF8
节点检测消息的标识符的高26位，最低的3位则不care。如果标识符最高26位相同则接收，否则舍弃。
例4：接收所有消息帧帧
-
设置过滤码为
0 -
设置掩码为
0
节点接收总线上所有消息。
如何配置？
上面介绍了帧类型，那么如何基于MCU进行配置呢？这里以STM32F407为硬件平台，使用HAL库进行初始化，看一下都对哪些地方进行了配置。一般来说，我们需要配置CAN的波特率，消息过滤器等等，下面是简单的配置的代码；
CAN_HandleTypeDef hCAN;
void MX_CAN_Init(void)
{
CAN_FilterTypeDef sFilterConfig;
/*CAN单元初始化*/
hCAN.Instance = CAN1; /* CAN外设 */
/* BTR-BRP 波特率分频器 定义了时间单元的时间长度42/(1+6+7)/6=500Kbps */
hCAN.Init.Prescaler = 6;
hCAN.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL; /* 正常工作模式 */
hCAN.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ; /* BTR-SJW 重新同步跳跃宽度 1个时间单元 */
hCAN.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_6TQ; /* BTR-TS1 时间段1 占用了6个时间单元 */
hCAN.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_7TQ; /* BTR-TS1 时间段2 占用了7个时间单元 */
hCAN.Init.TimeTriggeredMode = DISABLE; /* MCR-TTCM 关闭时间触发通信模式使能 */
hCAN.Init.AutoBusOff = ENABLE; /* MCR-ABOM 自动离线管理 */
hCAN.Init.AutoWakeUp = ENABLE; /* MCR-AWUM 使用自动唤醒模式 */
hCAN.Init.AutoRetransmission = DISABLE; /* MCR-NART 禁止报文自动重传 DISABLE-自动重传 */
/* MCR-RFLM 接收FIFO 锁定模式 DISABLE-溢出时新报文会覆盖原有报文 */
hCAN.Init.ReceiveFifoLocked = DISABLE;
/* MCR-TXFP 发送FIFO优先级 DISABLE-优先级取决于报文标示符 */
hCAN.Init.TransmitFifoPriority = DISABLE;
if (HAL_CAN_Init(&hCAN) != HAL_OK)
{
//Error_Handler();
}
// 初始化发送器
hCAN1_TxMessage.IDE = CAN_ID_STD;
hCAN1_TxMessage.RTR = CAN_RTR_DATA;
hCAN1_TxMessage.TransmitGlobalTime = ENABLE;
// 初始化滤波器 设置为0 则不对消息进行过滤
hCAN1_Filter.FilterIdHigh = 0; /* 要过滤的ID高位 */
hCAN1_Filter.FilterIdLow = 0; /* 要过滤的ID低位 */
hCAN1_Filter.FilterMaskIdHigh = 0; /* 过滤器高16位每位必须匹配 */
hCAN1_Filter.FilterMaskIdLow = 0; /* 过滤器低16位每位必须匹配 */
hCAN1_Filter.FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0;/* 过滤器被关联到FIFO 0 */
hCAN1_Filter.FilterBank = 0;
hCAN1_Filter.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK; /* 工作在标识符屏蔽位模式 */
hCAN1_Filter.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT; /* 过滤器位宽为单个32位。*/
hCAN1_Filter.FilterActivation = ENABLE;
hCAN1_Filter.SlaveStartFilterBank = 0;
HAL_CAN_ConfigFilter(&hCAN, &hCAN1_Filter);
while(HAL_CAN_Start(&hCAN) != HAL_OK )
{
printf("\nCAN_Start Failed!!");
HAL_Delay(100);
}
HAL_CAN_ActivateNotification(&hCAN, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);
}
下面是CAN发送的函数，我们需要自己构建相应的消息帧格式，通常需要设置消息帧的ID格式，消息长度，具体如下；
void CAN_TxMessage(CAN_HandleTypeDef *hcan,uint16_t ID ,uint8_t aData[], uint8_t DLC)
{
uint32_t Tx_MailBox;
/*-1- 配置数据段长度 ----------------------------------------*/
hCAN1_TxMessage.IDE = CAN_ID_STD;
hCAN1_TxMessage.RTR = CAN_RTR_DATA;
hCAN1_TxMessage.StdId = ID;
hCAN1_TxMessage.DLC = DLC;
hCAN1_TxMessage.TransmitGlobalTime = ENABLE;
/*-2- 发送aData ---------------------------------------------*/
while(HAL_CAN_AddTxMessage(hcan, &hCAN1_TxMessage, aData, &Tx_MailBox) != HAL_OK)
{
HAL_Delay(5);
}
}
上述代码设置发送消息：
-
CAN_ID_STD设置为标准ID； -
CAN_RTR_DATA设置消息为数据帧； -
StdId为当前消息的ID； -
DLC为当前消息的长度；
整体可以参考前面介绍的消息帧格式，篇幅有限，这里就先简单的介绍一下。
总结
本文对CAN总结进行了简单的介绍，CAN通讯的特点可以总结如下；
-
符合OSI开放式通信系统参考模型；
-
两线式总线结构，电气信号为差分式；
-
多主控制。在总线空闲时，所有的单元都可开始发送消息，最先访问总线的单元可获得发送权；多个单元同时开始发送时，发送高优先级 ID 消息的单元可获得发送权；
-
消息报文不包含源地址或者目标地址，仅通过标识符表明消息功能和优先级；
-
基于固定消息格式的广播式总线系统，短帧结构；
-
事件触发型。只有当有消息要发送时，节点才向总线上广播消息；
-
可以通过发送远程帧请求其它节点发送数据；
-
消息数据长度 0~8 Byte；
-
错误检测功能。所有节点均可检测错误，检测处错误的单元会立即通知其它所有单元；
-
发送消息出错后，节点会自动重发；
-
故障限制。节点控制器可以判断错误是暂时的数据错误还是持续性错误，当总线上发生持续数据错误时，控制器可将节点从总线上隔离；
-
通信介质可采用双绞线、同轴电缆和光导纤维，一般使用最便宜的双绞线；
-
理论上，CAN总线用单根信号线就可以通信，但还是配备了第二根导线，第二根导线与第一根导线信号为差分关系，可以有效抑制电磁干扰；
-
在40米线缆条件下，最高数据传输速率 1Mbps；
-
总线上可同时连接多个节点，可连接节点总数理论上是没有限制的，但实际可连接节点数受总线上时间延迟及电气负载的限制；
文章来源于小麦大叔 ，作者小麦大叔
