CAN总线

目录

1. 总体概述 

1.1 基本概念

1.2 通讯方式 

1.3 为什么使用CAN?

1.4 CAN的协议及组成

2. 上帝视角看CAN的通讯过程

2.1 数据传输原理实现

2.3 通信的整个过程

2.2.1 空闲状态

2.2.2 开始数据传输

2.2.3 仲裁机制

2.2.4 位时序

2.2.5 一次数据传输的例子

3. CAN总线报文格式

数据帧

帧起始和帧结束

仲裁段

控制段

数据段

CRC段

ACK段

远程帧

位填充

错误帧

过载帧与帧间隔

过载帧

帧间隔

CAN总线发送总流程

1. 总体概述  

1.1 基本概念

  CAN 是 Controller Area Network 的缩写（以下称为 CAN），是 ISO 国际标准化的串行通信协议。在北美和西欧，CAN 总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以 CAN 为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的 J1939 协议。

1.2 通讯方式 

 CAN总线通信系统是串行通信的一种，要优于RS485总线，是目前比较常用的一种工业总线，如汽车的电气部分就采用CAN总线实现通信。

        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）

1.3 为什么使用CAN?

        汽车工业蓬勃发展，汽车的电子控制单元逐渐增多。各电控单元之间的信号交换导致汽车线束的级数增加，复杂粗大的线束与汽车有限的布线空间之间矛盾越来越突出，繁多的线束导致电气系统可靠性下降，同时增加了重量。

1.4 CAN的协议及组成

  CAN协议经过ISO标准化后有两个标准ISO11898标准和IS011519-2标准。其中ISO11898是针对通信速率为125Kbps~1Mbps的高速通信标准（闭环），而IS011519-2是针对通信速率为125Kbps以下的低速通信标准（开环）。

Kbps：总线的通信速率，指的是位速率。或称为比特率（和波特率不是一回事），表示的是：单位时间内，通信线路上传输的二进制位的数量，其基本单位是 bps 或者 b/s (bit per second)。

CAN的组成一般有两种方式：

                1：CPU与CAN控制器集成到一起、再外接CAN收发器；

                2：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。 

2. 上帝视角看CAN的通讯过程

  以ISO11898 标准的高速、短距离闭环网络为例，总线最大长度为 40m，通信速度最高为 1Mbps。在 CAN 总线的起止端有一个 120Ω的终端电阻，是用来来做阻抗匹配，以减少回波反射。

2.1 数据传输原理实现

        由上图可知，CAN通信是通过两根线完成的：

                * 一条是黄色的CAN_High

                *一条是绿色的CAN_Low

按照定义：

• CAN_High - CAN_Low < 0.5V 时候为隐性的，逻辑信号表现为"逻辑1"，即高电平。

• CAN_High - CAN_Low > 0.9V 时候为显性的，逻辑信号表现为"逻辑0"，即低电平。

  

   

• 

•         由上图可知， 没有数据发送或者发送数据0时，两条线的电平一样都为2.5V，两条线的电压差小于0.5V；当发送数据1时，CAN_High电压升高，CAN_Low电压降低，两条线电压差大于0.9V时，认为数据为逻辑0；

          所以CAN使用的是差分信号，差分信号稳定性更好，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。

  

          隐性、显性之间存在天然的优先级特性：显性（逻辑0）的优先级比隐性（逻辑1）高；该优先级的特性，可以用来进行多主机的仲裁

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）

        上图为CAN的收发器：CAN_Rx和CAN_Tx分别是从MCU中接出来的引脚，比如MCU要发送一个逻辑1，则只要将CAN_Tx设置为1，经过CAN收发器转换，CAN_High和CAN_Low 线上的电压均为 2.5v，即传到总线的电压差 Vh-Vl=0V，总线上的状态则就是逻辑1。同样，当CAN_High和CAN_Low 读取到 CAN总线电压分别3.5V和1.5V，即压差为2V，经过收发器转换，MCU则可通过CAN_Rx读取到信号0。

2.3 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。

2.2.1 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（两根线电压差小于0.5V），表示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。

        怎么让总线连续出现11位隐形电平呢？由于显性电平的高优先级特性，必须所有CAN主机都连续发送11个隐性电平，或者不发送时，总线才能出现连续11个隐性电平，即处于空闲状态
  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）

2.2.2 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。

 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。

         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。

2.2.3 仲裁机制

运用到线与机制和回读机制
  以上只是节点1主动发送数据，但是万一节点1和节点2同时向节点3发送数据的时候，如何判定先后呢？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。

2.2.4 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。

CAN 属于异步通讯，没有时钟信号线，连接在同一个总线网络中的各个节点会像串口异步通讯那样，节点间使用约定好的波特率进行通讯，CAN 使用位同步的方式来抗干扰、吸收误差，实现对总线电平信号进行正确的采样，确保通讯正常

• 位时序分解：为了实现位同步，CAN 协议把每一个数据位的时序分解成 SS 段、PTS 段、PBS1 段、PBS2 段，这四段的长度加起来即为一个CAN数据位的长度。分解后最小的时间单位是 Tq，一个完整的位由 8~25 个 Tq 组成

• 波特率：总线上的各个通讯节点只要约定好 1 个 Tq 的时间长度以及每一个数据位占据多少个 Tq，就可以确定 CAN 通讯的波特率。

例如，假设上图中的 1Tq=1us，而每个数据位由 19 个 Tq 组成，则传输一位数据需要时间 T1bit=19us，从而每秒可以传输的数据位个数为：1x10次方/19 = 52631.6 (bps)。这个每秒可传输的数据位的个数即为通讯中的波特率。

• 同步过程：波特率只是约定了每个数据位的长度，数据同步还涉及到相位的细节，此时就要用到数据位内的 SS、PTS、PBS1 及 PBS2 段了。根据对段的应用方式差异， CAN 的数据同步分为硬同步和重新同步。其中硬同步只是当存在帧起始信号时起作用，无法确保后续一连串的位时序都是同步的，而重新同步方式可解决该问题

硬同步：CAN节点通过总线发送数据时，会发送一个帧起始信号。而挂载到CAN总线上的节点在不发送数据时，会时刻检测总线上的信号。如下图，当总线出现帧起始信号时，节点检测到总线的帧起始信号不在节点内部时序的 SS 段范围，所以判断它自己的内部时序与总线不同步，因而这个状态的采样点采集得的数据是不正确的。所以节点以硬同步的方式调整，把自己的位时序中的 SS 段平移至总线出现下降沿的部分，获得同步，同步后采样点就可以采集得正确数据了

重新同步：前面的硬同步只是当存在帧起始信号时才起作用，如果在一帧很长的数据内，节点信号与总线信号相位有偏移时，这种同步方式就无能为力了。因而引入重新同步方式，它利用普通数据位的高至低电平的跳变沿来同步。与硬同步方式相似的是它们都使用 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。

• 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。
• 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。

2.2.5 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。在后续的报文传送中亦是如此。

3. CAN总线报文格式

在总线中传送的报文，每帧由7部分组成。CAN协议支持两种报文格式，其唯一的不同是标识符（ID）长度不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。

在标准格式中，报文的起始位称为帧起始（SOF），然后是由11位标识符和远程发送请求位(RTR)组成的仲裁场。RTR位标明是数据帧还是请求帧，在请求帧中没有数据字节。

控制场包括标识符扩展位（IDE），指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一个保留位 (ro)，为将来扩展使用。它的最后四个位用来指明数据场中数据的长度（DLC）。数据场范围为0～8个字节,其后有一个检测数据错误的循环冗余检查(CRC）。

应答场（ACK）包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平（逻辑1），这时正确接收报文的接收站发送主控电平（逻辑0）覆盖它。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。

报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位，如果这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状态。

如图11所示，具体某一位或某几位下面会详细介绍。

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。 

  在阅读完上文后，对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。 

数据帧

数据帧是使用最多的帧，结构上由7段组成，其中根据仲裁段ID码长度的不同，分为标准帧（CAN2.0A）和扩展帧（CAN2.0B）。

数据帧是由：帧起始，仲裁断，控制端，数据段，CRC段，ACK段和帧结束构成。

如图21所示（具体的帧结构下面会详细介绍）。

 图2–1数据帧类型及结构

帧起始和帧结束

帧起始：由单个显性位组成，总线空闲时，发送节点发送帧起始，其他接收节点同步于该帧起始位。

帧结束：由7个连续的隐形位组成。

（注：显性电平和隐性电平是相对于CAN_H和CAN_L而言的差分信号电平，并非TTL电平上的高低电平，需要注意）如图2-2所示。

图2–2帧起始和帧结束

仲裁段

CAN-bus是如何解决多个节点同时发送数据，即总线竞争的问题？该问题由仲裁段给出答案。

CAN-bus并没有规定节点的优先级，但通过仲裁段帧ID规定了数据帧的优先级。根据CAN2.0标准版本不同，帧ID分为11位和29位两种。如图23所示

 图2–3数据帧结构

如图24所示CAN控制器在发送数据的同时监测数据线的电平是否与发送数据对应电平相同，如果不同，则停止发送并做其他处理。

图2–4仲裁处理

假设节点A、B和C都发送相同格式相同类型的帧，如标准格式数据帧，它们竞争总线的过程是（如图16所示）：

图2–5仲裁机制

从该分析过程得出结论是：帧ID值越小，优先级越高；

对于同为扩展格式数据帧、标准格式远程帧和扩展格式远程帧的情况同理

控制段

控制段共6位，标准帧的控制段由扩展帧标志位IDE、保留位r0和数据长度代码DLC组成；扩展帧控制段则由IDE、r1、r0和DLC组成如图17所示。

图2–6数据帧结构

数据段

一个数据帧传输的数据量为0~8个字节，这种短帧结构使得CAN-bus实时性很高，非常适合汽车和工控应用场合如图27所示。

图2–7数据段

数据量小，发送和接收时间短，实时性高，被干扰的概率小，抗干扰能力强。

CRC段

CAN-bus使用CRC校验进行数据检错，CRC校验值存放于CRC段。 CRC校验段由15位CRC值和1位CRC界定符构成如图28所示。

图2–8CRC段

ACK段

当一个接收节点接收的帧起始到CRC段之间的内容没发生错误时，它将在ACK段发送一个显性电平如图29所示。

图2–9 ACK段

远程帧

与数据帧相比，远程帧结构上无数据段，由6个段组成，同理分为标准格式和扩展格式，且RTR位为1（隐性电平）如图31所示。

图3–1远程帧结构

如下图所示由于数据帧的RTR位为显性电平，远程帧的RTR位为隐性电平。

所以帧格式和帧ID都相同情况下，数据帧的优先级比远程帧优先级高如图32所示：

图3–2数据帧于远程帧仲裁机制

图3–3数据帧远程帧比较

数据帧与远程帧的区别如图33所示

位填充

  为防止突发错误而设定，CAN协议中规定，当相同极性的电平持续五位时，则添加一个极性相反的位。填充位的添加和删除是由发送节点和接收节点完成的，CAN-BUS只负责传输，不会操纵信号。

• 对于发送节点而言：

在发送数据帧和遥控帧时，对于SOF~CRC(除去CRC界定符) 之间的位流，相同极性的电平如果持续5位，那么在下一个位插入一个与之前5位反型的电平；

• 对于接收节点而言：

在接收数据帧和遥控帧时，对于SOF~CRC(除去CRC界定符)之间的位流，相同极性的电平如果持续5位，那么需要删除下一位再接收。如果这个第 6 个位的电平与前 5 位相同，将被视为错误并发送错误帧。 

错误帧

尽管CAN-bus是可靠性很高的总线，但依然可能出现错误；CAN-bus的错误类型共有5种（如图41所示）。

图4–1错误帧类型

当出现5种错误类型之一时，发送或接收节点将发送错误帧。错误帧的结构如下，其中错误标识分为主动错误标识和被动错误标识如图42所示。

图4–2错误帧电平结构

为防止自身由于某些原因导致无法正常接收的节点一直发送错误帧，干扰其他节点通信，CAN-bus规定了节点的3种状态及其行为如图43所示。

图4–3错误处理机制

（注：这些错误处理的机制是由硬件自主完成的这样做的目的就是只要CAN在收到数据肯定是正确的数据）。

过载帧与帧间隔

过载帧

当某个接收节点没有做好接收下一帧数据的准备时，将发送过载帧以通知发送节点；过载帧由过载标志和过载帧界定符组成如所示图51。

图5–1过载帧结构

由于存在多个节点同时过载且过载帧发送有时间差问题，可能出现过载标志叠加后超过6个位的现象如所示图52。

图5–2过载帧具体结构

帧间隔

帧间隔用于将数据帧或远程帧和他们之前的帧分离开，但过载帧和错误帧前面不会插入帧间隔。

帧间隔过后，如果无节点发送帧，则总线进入空闲。

帧间隔过后，如果被动错误节点要发送帧，则先发送8个隐性电平的传输延迟，再发送帧。

CAN总线发送总流程

CAN-bus整个链路层处理数据的流程是如图61所示：

图6–1CAN总线发送总流程文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-550915.html

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