CAN通信

通讯方式

• UART：(Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用异步收发器/异步串行通信口)，是一种通用的串行数据总线，用于异步通信，支持全双工。它包括了RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范，即UART是异步串行通信口的总称。
• IIC总线协议： I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。
• SPI总线协议： SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议。

UART接口

• RS232接口缺陷:

  • (1)接口的信号电平值较高( +/-12V)，易损坏接口电路的芯片。

  • (2)传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。

  • (3)接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。

  • (4)传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。

• RS485是对RS232的改进，特点包括:
  • ①接口电平低，不易损坏芯片。RS485的电气特性:逻辑“1”以两线间的电压差为+(2 ~ 6)V表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V表示。接口信号电平比RS232降低了，不易损坏接口电路的芯片。
  • ②传输速率高。10米时，RS485的数据最高传输速率可达35Mbps，在1200m时，传输速度可达100Kbps。
  • ③抗干扰能力强。RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。
  • ④传输距离远，支持节点多。RS485总线最长可以传输1200m以上(速率≤100Kbps)一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。

CAN

• CAN总线通信系统是串行通信的一种，要优于RS485总线。与I2C、SPI等具有时钟信号的同步通讯方式不同，CAN通讯并不是以时钟信号来进行同步的，它是一种异步半双工通讯。（同步即在同一个时钟驱动下数据通信，半双工即接受与发送不能同时进行）

• CAN的组成一般有两种方式：一种是CPU与CAN控制器集成到一起、再外接CAN收发器；另一种是CPU与CAN控制器分开的，使用的时候需要配置CAN接口电路，比较麻烦。STM32 中就是采用第一种方式，将CAN接口集成在芯片内，使用的时候再外接CAN收发器（顾名思义，可发送，可接收），常用的有TJA1050或者82C250。

• CAN收发器是用于TTL电平与差分电压信号相互转换的，TTL电平即单片机引脚直接提供的电平，逻辑0代表低电平，逻辑1代表高电平；而差分电压信号则为固定的电压值。

数据传输原理实现

• 先知道CAN通信只由两根线完成的，一条称为CAN_H（CAN High），一条称为CAN_L（CAN Low），共同构成一组差分信号线。整个过程是以差分信号的形式进行通讯的，即信号的逻辑 0 和逻辑 1 由两根差分信号线的电压差来表示。终端电阻（通常位120欧）为在高速CAN中防止信号反射和振铃现象。
  

• 可以想象到以差分信号形式传送，稳定性更好，因为即使环境问题导致CAN_High电压发送变化，则CAN_L也会发送同等变化，两者做差即可抵消由于这个环境引起的变化。
  

  • 1.发送方通过使总线电平发生变化，将其信息传递到CAN总线上。
  • 2.接收方通过监听总线电平，将总线上的消息读入自己的接收器。

通信的整个过程

• 那么是如何通过一个节点的MCU向总线上那么多节点中的某个节点进行发送信息的？
• 一个节点又是如何知道某个信息是发给自己的或者不是发给自己的？

这里或许让你想起 IIC 中以地址方式进行主从点对点的通信，但其实在CAN中并无地址的概念。少了像IIC中的SCL地址线、SPI中的片选信号线，简洁的物理层决定了 CAN 必然要配上一套更复杂的协议。如何用一个信号通道实现同样、甚至更强大的功能呢？答案是对数据或操作命令进行打包。

• 空闲状态

先规定空闲状态，所谓的空闲状态就是指没有节点正在传输数据的时候，在CAN协议中，当总线上的上出现连续的11位隐性电平，那么总线就处于空闲状态。也就是说对于任意一个节点而言，只要它监听到总线上连续出现了11位隐性电平，那么该节点就会认为总线当前处于空闲状态。

显/隐性电平: 在总线上通常逻辑1表示隐性。而0表示显性。总线上的逻辑0即差分电压差为2V左右（CAN_H=3.5,CAN_L=1.5），总线上的逻辑1即差分电压差为0V（CAN_H=2,CAN_L=2）

怎么让总线连续出现11位隐形电平呢？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，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平（显性电平比隐性电平更强）。

所以，现在可以先简单地理解为，需要在总线一开始工作的时候，所有节点都输出隐性电平；已知在一次传输时该节点输出显性电平，则在传输完成后该节点再输出隐性电平即可，这样就能将总线在无数据传输时保持空闲状态。（真实的实现过程比较复杂，这里仅作为暂时理解，后面会继续提到）

• 开始数据传输
    每次发送数据前，节点都会监听总线的状态，如果总线状态为空闲时，它就会立即向总线上发送自己的数据，这个数据里不仅有数据，还有本身的ID信息或者其他的控制指令，应称为数据包(数据帧)，也叫做报文。当报文被传输到其它节点时，只要这些节点按格式去解读，就能还原出原始数据。

报文: 在原始数据段的前面加上传输起始标签、片选(识别)标签、控制标签，在数据的尾段加上 CRC 校验标签、应答标签和传输结束标签。类似这样的数据包就被称为 CAN 的数据帧。为了更有效地控制通讯，CAN 一共规定了 5 种类型的帧，帧也称为报文。

数据帧是在 CAN 通讯中最主要、最复杂的报文，它以一个显性位(逻辑 0)开始，以 7 个连续的隐性位(逻辑 1)结束。在它们之间，分为仲裁段、控制段、数据段、CRC 段和 ACK 段，以标准数据帧为例。
 
数据帧标准格式各个位的介绍：
 SOF： 当数据帧发出第一位时（0为显性电位），总线就由空闲状态转为传输状态，同一时间只能允许一个节点传输数据。
 
 Identify： 接下来的仲裁段有11位，即本数据帧的 ID 信息，决定着数据帧发送的优先级，也决定着其它设备是否会接收这个数据帧，禁止高 7 位都为隐性（禁止设定：ID=1111111XXXX）， ID 信息的作用：① 如果同时有多个节点发送数据时，作为优先级依据（仲裁机制）；② 目标节点通过 ID 信息来接受数据（验收滤波技术）。
 
 RTR： (Remote Transmission Request BIT) 位用于标识是否是远程帧（0，数据帧；1，远程帧），在数据帧里这一位为显性(逻辑 0)。
 
 IDE： (Identifier Extension Bit)，是用于区分标准格式与扩展格式，在标准格式中 IDE 位为显性，在扩展格式里 IDE 位为隐性。
 
 r0： 保留位，必须以显性电平发送。
 
 DLC： 由 4 位组成，MSB 先行（高位先行），它的二进制编码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到8，若接收方接收到 9~15 的时候并不认为是错误。
 
 Data： 数据帧的核心内容，它由 0~8 个字节(0 ~ 64位)组成，MSB 先行。
 
 CRC： 该段用于检查帧传输错误，发送方以一定的方法计算包括：帧起始、仲裁段、控制段、数据段；接收方以同样的算法计算 CRC 值并进行比较，如果不同则会向发送端反馈出错信息，重新发送；计算和出错处理一般由 CAN 控制器硬件完成或由软件控制最大重发数。该段由 15 个位的 CRC 顺序和 1 个位的 CRC 界定符（用于分隔的位）组成，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。
 
 ACK： 由 ACK 槽(ACK Slot)和 ACK 界定符 2 个位组成，在 ACK 槽位中，发送端发送的为隐性位，而接收端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，为隐性位。（发送 ACK/返回 ACK这个过程使用到回读机制，即发送方先在 ACK 槽发送隐性位后，回读到的总线上的电平为显性0，发送方才知道它发送成功了，不用重发）
 
 EOF： 由发送端发送 7 个隐性位表示结束。

⭐ 帧的种类
数据帧： 用于发送单元向接收单元传送数据的帧。
遥控帧： 用于接收单元向具有相同 ID 的发送单元请求数据的帧。
错误帧： 用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧。
过载帧： 用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧。
帧间隔： 用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧

⭐数据帧
数据帧由 7 个段构成，包括：
帧起始: 表示数据帧开始的段。
仲裁段: 表示该帧优先级的段。
控制段: 表示数据的字节数及保留位的段。
数据段: 数据的内容，一帧可发送0~8个字节的数据。
CRC段: 检查帧的传输错误的段。
ACK段: 表示确认正常接收的段。
帧结束: 表示数据帧结束的段。

⭐遥控帧
接收单元向发送单元请求发送数据所用的帧。遥控帧由 6 个段组成。遥控帧没有数据帧的数据段。
帧起始（SOF）： 表示帧开始的段。
仲裁段： 表示该帧优先级的段。可请求具有相同 ID 的数据帧。
控制段： 表示数据的字节数及保留位的段。
CRC 段： 检查帧的传输错误的段。
ACK 段： 表示确认正常接收的段。
帧结束： 表示遥控帧结束的段

🔣遥控帧和数据帧的区别

• 数据帧和遥控帧的不同
  • 遥控帧的 RTR 位为隐性位，没有数据段。
  • 没有数据段的数据帧和遥控帧可通过 RTR 位区别开来。
• 遥控帧没有数据段，数据长度码该如何表示？
  • 遥控帧的数据长度码以所请求数据帧的数据长度码表示。
• 没有数据段的数据帧有何用途？
  • 例如，可用于各单元的定期连接确认/应答、或仲裁段本身带有实质性信息的情况下。

另外，数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有 11 个位的标识符（Identifier: 以下称 ID），扩展格式有 29 个位的 ID。

仲裁机制

如何判定节点发送数据的先后呢？采用非破坏性位仲裁机制，即对各个消息的标识符（即ID号）进行逐位仲裁（比较），如果某个节点发送的消息仲裁获胜，那么这个节点将获取总线的发送权，仲裁失败的节点则立即停止发送并转变为监听（接收）状态。
  从上文可知，显性的优先级高于隐性，即仲裁比较的就是哪个ID中的0多，0最多的那个就可以获得发送权，比如 000000 00010 就比 000000 00011 的优先级要高，仲裁的过程由硬件实现；同时要注意，仲裁段除了报文 ID 外，还有 RTR、IDE、SRR 位（在拓展模式中，下文价绍），也就是说当ID全都一样时，会继续比较接下来的几位。
  
至于如何做到“0多即胜”，可以理解为一种回读和线与机制，即显性能够将隐性覆盖，将自己要比较的位与总线上的状态相与，只有线与的结果与本身一致时，仲裁才能够通过。

其实在报文发送上去的过程，采用的是广播的方式，在节点1和节点2总裁的同时，总线上所有的节点都能够监听到它们的ID号，只不过也在同时进行验收滤波，只有监听到的ID号存在ID表中，该节点才会选择继续监听后面的报文。

位时序

以上已经基本解决了CAN通信的基本问题，可以思考一下，由于 CAN 没有时钟信号线，而且它的报文中并没有包含用于同步的标志，要怎么做才能对总线的电平进行正确的采样呢？比如我节点1发送3个位出去了，节点2应该在什么时候接收才能保证此时此刻它所接收到的就是第3位或者接收到的电平是正确的？ CAN中提出了位同步的方式来确保通讯时序。

• 位时序的主要知识点
    CAN总线通讯协议的每一个数据帧可以看作一连串的电平信号，每一个电平信号代表一位（一个字节8位的位），所以一帧中包含了很多个位，由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的位数称为位速率。 一位又分为4段， 同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相位缓冲段 1（PBS1）、相位缓冲段 2（PBS2）。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。
  
  1 位分为 4 个段，每个段又由若干个 Tq 构成，这称为位时序。
  1 位由多少个 Tq 构成、每个段又由多少个 Tq 构成等，可以任意设定位时序。通过设定位时序，多个单元可同时采样，也可任意设定采样点。

帧是以位为单位的，由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的位数称为位速率（波特率）。一个位可分为 4 段，分别是：
• 同步段（SS）
• 传播时间段（PTS）
• 相位缓冲段 1（PBS1）
• 相位缓冲段 2（PBS2）

SS 段(SYNC SEG)： 同步段，比如当总线上出现帧起始信号(SOF)时，其它节点上的控制器根据总线上的这个下降沿，对自己的位时序进行调整，把该下降沿包含到 SS 段内，这样根据起始帧来进行同步的方式称为硬同步。其中 SS 段的大小为 1Tq。总线上信号的跳变沿被包含在节点的 SS 段的范围之内，则表示节点与总线的时序是同步的，采样点采集到的总线电平即可被确定为该位的电平。
 PTS 段(PROP SEG)： 传播时间段，这个时间段是用于补偿网络的物理延时时间，包括发送单元的输出延迟、总线上信号的传播延迟、接收单元的输入延迟，这个段的时间为以上各延迟时间的和的两倍。大小可以为 1~8Tq。
 PBS1 段(PHASE SEG1)： 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。
 PBS2 段(PHASE SEG2)： 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。
（对于PBS段而言，当信号边沿不能被包含于 SS 段中时，可在此段进行补偿，以及可以吸收时钟误差）
 SJW (reSynchronization Jump Width)： 重新同步补偿宽度，即在重新同步的时候，PBS1 和 PBS2 段的允许加长或缩短的时间长度，SJW 加大后允许误差加大，但通信速度下降。SJW 为补偿此误差的最大值（即每一次误差补偿都不能超过这个值，1～4Tq）。

CAN 的同步

• CAN 的同步分为硬同步和重新同步：

  • 硬同步： 在帧起始信号时同步总线上所有器件的位时序，无法确保后续一连串的位时序都是同步的。
    重新同步:在检测到总线上的时序与节点使用的时序有相位差时(即总线上的跳变沿不在节点时序的 SS 段范围)，通过延长 PBS1 段或缩短 PBS2 段，来获得同步。
    • 采样点： 读取总线电平的时刻，并将读到的电平作为位值的点。位置在 PBS1 结束处。
    • 延长/缩短PBS段来达到同步： PTS+PBS1小而PBS2加大时采样点前移，PTS+PBS1大而PBS2减小时采样点后移。

• 同步过程：

  • 在硬同步阶段，当节点检测到本身SS段并不在总线电平下降沿跳变处，节点则会把自己的位时序中的 SS 段平移至总线出现下降沿的部分，后面三段也跟着上去，以获得同步。（可以理解为节点在检测到帧起始信号时才开始“设置段”）

  • 在重新同步阶段，利用普通数据位的高至低电平的跳变沿来同步(帧起始信号是特殊的跳变沿)。重新同步与硬同步方式相似的地方是它们都使用 SS 段来进行检测，同步的目的都是使节点内的 SS 段把跳变沿包含起来。重新同步的方式分为超前和滞后两种情况，以总线跳变沿与 SS 段的相对位置进行区分，下面举例设SJW为2Tq。
      ① 相位超前，节点从总线的边沿跳变中，检测到它内部的时序比总线的时序相对超前 2Tq，这时控制器在下一个位时序中的 PBS1 段增加 2Tq 的时间长度，使得节点与总线时序重新同步。
      ② 相位相位滞后，节点从总线的边沿跳变中，检测到它的时序比总线的时序相对滞后 2Tq，这时控制器在前一个位时序中的 PBS2 段减少 2Tq 的时间长度，获得同步。

• 一次数据传输的例子
    比如总线上有3个节点，节点1设置ID为000100 00110，节点2设置ID为000100 00111，节点3验收滤波ID表中有节点1和节点2的ID号，节点1和节点2同时向节点3发送1字节的信息。

  • 总线空闲，节点1和节点2同时发送帧起始信号，3个节点同时调整位时序（硬同步）；
  • 节点1和节点2开始仲裁，两者同时向总线发送第一位0，同时回读总线状态与本身状态相与，得0，两者第1位仲裁均通过；一直持续到第9位1，两者同时向总线发送1，同时回读总线状态，得1，两者第9位仲裁均通过；
  • 直到第11位，当两个节点回读总线状态与本身状态相与时，总线得显性将隐性屏蔽，即总线状态为显性，则节点1得0（与本身状态相同），而节点2得0（与本身状态不同），此时节点1仲裁胜利，节点2放弃发送请求；
  • 从第1位仲裁到第11位仲裁得同时，节点1向其他节点广播了本身的ID，当然节点1本身也接收到节点2的ID信息，因此节点2和节点3也都收到了节点1的ID信息，只不过节点2对节点1不敢兴趣，因而选择了忽略节点1后续的信息，节点3则开始接收节点1的数据；
  • 从硬同步之后，每当节点1和节点2发出一个仲裁位，三个节点的CAN控制器都在检测本身的位时序与总线位时序是否一致，当有相位超前或者滞后时则自动进行位时序的重新同步。

CAN总线协议层的详细介绍

CAN 协议经 ISO 标准化后有 ISO11898 标准和 ISO11519-2 标准两种。ISO11898 和 ISO11519-2 标准对于数据链路层的定义相同，但物理层不同。
  

CAN协议具有一下特点：
1） 多主控制。在总线空闲时，所有单元都可以发送消息（多主控制），而两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符（Identifier 以下称为 ID）决定优先级。ID 并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的优先级。两个以上的单元同时开始发送消息时，对各消息ID 的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜（被判定为优先级最高）的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。

2） 系统的若软性。与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息。因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变。

3） 通信速度较快，通信距离远。最高1Mbps（距离小于40M），最远可达10KM（速率低于5Kbps）。

4） 具有错误检测、错误通知和错误恢复功能。所有单元都可以检测错误（错误检测功能），检测出错误的单元会立即同时通知其他所有单元（错误通知功能），正在发送消息的单元一旦检测出错误，会强制结束当前的发送。强制结束发送的单元会不断反复地重新发送此消息直到成功发送为止（错误恢复功能）。

5） 故障封闭功能。CAN 可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误（如外部噪声等）还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）。由此功能，当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。

6） 连接节点多。CAN 总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速度，可连接的单元数增加；提高通信速度，则可连接的单元数减少。

⭐CAN总线中的一个极其重要的知识点需要搞明白：回读机制。
  指的是节点在向总线上发送报文的过程中，同时也对总线上的二进制位进行“回读”。通过这种机制，节点就可以判断出本节点发出的二进制位与总线上当前的二进制位是否一致。

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