CAN总线简易入门教程

时间：2023-07-16 03:07:00 can输出型传感器传感器连接can can总线的传感器总线连接器7972

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文章目录

- 什么是CAN总线？
- 物理层
- - 差分信号
  - 连接方式
  - CAN节点
- CAN协议
- 如何寻址？
- 帧类型
- - 数据帧
  - 远程帧
  - 错误帧
  - 过载帧
- 新闻时间和同步
- - 位时序
  - 波特率
  - 消息过滤器
- 如何配置？
- 总结
- 参考

大家好，我是小麦，最近调试了一个CAN总线设备遇到一些问题，简单总结一下。本文将对CAN简要介绍总线，CAN硬件链路层、协议层和一些调试经验。

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。

[^wiki can bus]:

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；

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 通信的最大带宽从总线 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差分通过总线信号进行数据传输；
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，对于单片机开发者而言，需要关注的就是最终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。

在这种情况下，我们必须了解它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时序，同步，消息仲裁，确认，错误检验等，这个比较复杂，如果只是应用开发，我认为，简单了解一下即可；这一层需要做的工作包括：
- 故障约束；
- 错误监测；
- 消息验证；
- 信息确认；
- 仲裁；
- 信息帧；
- 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；
应用层就是基于对象层的进一步封装，不同的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，那么节点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；

在这里我们已经了解如何寻址，下面就看一下消息帧了。

帧类型

CAN有4种帧类型：

数据帧：包含用于传输的节点数据的帧
远程帧：请求传输特定标识符的帧
错误帧：由任何检测到错误的节点发送的帧
过载帧：在数据帧或远程帧之间插入延迟的帧

这里我们有必要重点了解一下数据帧，下面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：有11个标识符位
扩展帧格式：有29个标识符位

数据帧的结构具体如下所示；

简单介绍一下数据帧的细节；

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），该区段标识数据帧的优先级，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,
$G (x) = x 15 + x 14 + x 10 + x 8 + x 7 + x 4 + x 3 + 1$
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。

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；

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：
$\cfrac{1*10^6}{1+1+4+2} =125K bps$

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；

参考

Learning Module CAN -Vector
CAN Bus -Wikipedia
Can Bus Id Filter And Mask - De Montfort University
Introduction to the Controller Area Network - TI
https://www.nxp.com/docs/en/application-note/AN1798.pdf - NXP

本着对自己和对他人负责的原则，由于我接触CAN的时间也不是很久，本文很多是基于个人在项目中学习和总结的经验，所以文中难免存在错误和不足，请各位不吝赐教，及时指出，如果文章帮到了你，请帮忙点个赞，点个在看吧。

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