【嵌入式】CAN总线详解

一、CAN总线简介

CAN总线是一种控制器局域网总线，每一个挂载在CAN局域网的设备，都可以利用CAN去发送信息，也可以接收局域网的各种信息，每个设备都是平等的，共享CAN的资源。广泛应用于汽车、嵌入式和工业控制等领域。

总线特征：

• 两根通信线路（CAN_H, CAN_L）路线少，无需共地
• 差分信号通信，抗干扰能力强
• 异步通信，无需时钟线，通信速率由设备各自约定
• 半双工，可挂载多个设备，多个设备同时发送数据会通过仲裁判断先后顺序
• 11位/29位报文ID，用于区分消息功能和优先级
• 可配置1~8Byte有效载荷
• 包括广播式和请求式两种传输方式

CAN总线一共有五种帧

二、CAN物理层

2.1 CAN硬件电路

在CAN中，每个设备通过CAN收发器挂载在CAN总线网络上。CAN控制器引出的TX和RX与CAN收发器相连，CAN收发器引出的CAN_H和CAN_L分别与总线的CAN_H和CAN_L相连。CAN总线分为高速CAN总线和低速CAN总线两种

2.2 CAN的电平标准

高速CAN规定，电压差为0V的时候表示为逻辑1（隐形电平），电压差为2V的时候为逻辑0（显性电平）
低速CAN规定，电压差为-1.5V的时候表示为逻辑1（隐性电平），电压差为3V的时候表示为逻辑0（显性电平）。低速CAN传输距离更远，因此有可能有压降，所以他的显隐性之间的电压差更大。但是这也使得他的显隐性切换所需的时间更大，因此低速CAN传输速率不如高速CAN。

显性和隐性表示的是总线的状态，两线自然状态下的默认状态为隐性状态。而逻辑0和逻辑1则是电路约定俗成的逻辑规定

在这简单提一嘴STM32用的CAN收发器——TJA1050。其实其他MCU也能用，大概是会将MCU输出的高低电平通过电路转化为CAN标准中的逻辑0和逻辑1。同样，CAN总线上传输的数据也会通过该收发器转化为高低电平。这主要是因为MCU的0和1的实际电路表示是和CAN总线的不一样。详情可以看High speed CAN transceiver TJA1050中文数据手册

2.3 CAN物理层汇总

三、CAN总线的帧格式

在物理层上规定了0和1的表示方式之后，就需要对01数据流进行定义，定义每一位的具体意思，汇总成协议，供CAN总线及其各个设备的解析和通信使用。CAN协议规定了以下五种类型的帧

3.1 数据帧

数据帧组成如下：

图中灰色表示必须为显性（0），白色表示必须为隐形（1），紫色则表示是我们可以自行制定的位。

首先，在发送之前，总线一定要处于空闲状态，也就是隐性电平（1），数据帧第一位则以显性电平（0）作为起始位

• 仲裁段：发送起始位之后则是连续11位的报文ID，用于表明身份。RTR为远程请求标志位， 用于区分是数据帧还是遥控帧，在数据帧里为显性0
• 控制段：控制端第一个是IDE，为ID扩展标志位，用于标志是标准格式还是扩展格式，标准格式为0，扩展格式为1。本文主要讲标准模式。接下来的r0为保留位。然后是4位的DLC，用于表达数据段的长度，以字节为单位 。、
• 数据段：长度为0~64位，根据DLC的值确定
• CRC段：使用CRC循环冗余检测码的CRC段，长度16，包含15位CRC码和一位的CRC界定符，界定符必定为隐性1
• ACK段：包括ACK槽和ACK界定符，用于标记该数据帧是否有设备收到。发送方在发送数据帧到ACK段的时候，则会释放总线，总线回归到隐性1。任意接收方读取数据帧读取到ACK位的时候，都会拉开总线，使得总线处于显性0的状态。发送方释放总线，会读取总线状态，如果发现总线为显性0，则表示该数据帧有至少一个接收方接收到了；否则则没人收到。需要注意的是，一个数据帧并不是发送方全部发送一整个帧后再等待应答的，而是发送方再ACK位上交出控制权，和接收方共同完成了整个帧的发送
• 结束段：发送方发送七个隐性1，作为EOF，表示结束

接下来简单说一下扩展模式，扩展模式的用途是扩展ID段。当IDE位为1的时候，原RTR位变为闲置的SRR位，则接下来的18位为扩展的ID段和一位的RTR，然后再接一位的IDE，此时的IDE固定为隐性1

3.2 遥控帧

遥控帧主要用于主动请求设其他设备发送数据，无数据负载。他和数据帧十分类似。

广播式发送数据指的是发送方会按照一定频率发送帧。而请求式发送数据，则是设备A发送请求B发送数据的遥控帧，然后数据B收到请求后发送数据帧。主要是通过RTR位区分遥控帧和数据帧，当RTR为隐性1的时候，为遥控帧。遥控帧中的ID字段则是表示请求的目标ID。

3.3 错误帧

总线上所有设备都会监督总线的数据，一旦发现“位错误”或“填充错误”或“CRC错误”或“格式错误”或“应答错误” ，这些设备便会发出错误帧来破坏数据，同时终止当前的发送设备。错误帧可以叠加在数据帧上，并且可以破坏数据帧。

3.4 过载帧

当发送方发送太快，接收方接受不来的时候，会发送过载帧，破坏发送方发送的帧内容，这会导致发送方的CRC校验不通过，然后发送方就会重试。在破坏和重试之间，一方面会延缓数据的发送，另一方面间接告诉发送方，接收方暂时收不了，发送方可以调整发送速率。

3.5 帧间隔

将数据帧和遥控帧与前面的帧分离开，分为主动错误和被动错误：主动错误为3位间隔，被动错误位三位帧间隔加8位延迟传输。此处不展开

3.6 位填充

除了常用数据帧之外，CAN总线协议还会进行位填充。

位填充规则：发送方每发送5个相同电平后，自动追加一个相反电平的填充位，接收方检测到填充位时，会自动移除填充位，恢复原始数据。

• 增加波形的定时信息，利于接收方执行“再同步”，防止波形长时间无变化，导致接收方不能精确掌握数据采样时机
• 将正常数据流与“错误帧”和“过载帧”区分开，标志“错误帧”和“过载帧”的特异性。因为错误帧会出现连续六个的相同电平，可以一眼看出是错误帧。
• 保持CAN总线在发送正常 数据流时的活跃状态，防止被误认为总线空闲。CAN协议规定连续11个隐性1会被认为是空闲。

第四章 位同步

CAN总线没有时钟线，是一种异步通信总线，总线上的所有设备通过约定波特率的方式确定每一个数据位的时长。发送方和接收方会以指定的速率进行数据收发。但是这样还会有一些问题：

1. 接收方以约定的位时长进行采样，但是采样点没有对齐数据位中心附近
   
2. 接收方刚开始采样正确，但是时钟有误差，随着误差积累，采样点逐渐偏离
   
   这就需要位同步机制来保证同步采集。同步机制中一个关键的概念是位时序

为了灵活调整每个采样点的位置，使采样点对齐数据位中心附近，CAN总线对每一个数据位的时长进行了更细的划分，分为同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相位缓冲段1（PBS1）和相位缓冲段2（PBS2），每个段又由若干个最小时间单位（Tq）构成

其中每个段的长度可以自定义：SS = 1Tq,PTS = 1~8Tq，PBS1 = 1~8Tq, PBS2 = 2~8Tq。CAN协议要求跳变沿必须出现在SS段，如果跳变沿出现在其他时段，则会使用同步机制进行同步。

PTS负责容纳总线上信号传播的延时。PBS1和PBS2用于控制采样点，理想采样点应该出现在PBS1和PBS2中间，通过设定PBS1和PBS2的长度，可以控制采样点的位置

4.1 硬同步

硬同步负责将接收方的第一个采样点和波形的第一位对齐。当某个设备（发送方）率先发送报文，其他所有设备（接收方）收到SOF的下降沿时，接收方会将自己的位时序计时周期拨到SS段的位置，与发送方的位时序计时周期保持同步

这样，接收方和发送方的时钟就完成了硬同步，硬同步主要解决第一类同步问题

4.2 再同步

再同步主要解决第二类同步问题

若发送方或接收方的时钟有误差，随着误差积累，数据位边沿逐渐偏离SS段，则此时接收方根据再同步补偿宽度值（SJW）通过加长PBS1段，或缩短PBS2段，以调整同步。一般SJW设置在1~3Tq，这取决于各个设备之间的时间精度。

再同步可以发生在第一个下降沿之后的每个数据位跳变边沿。这也是为什么需要进行位填充，因为电平长时间不跳变，那会无法进行再同步机制，会导致位之间的间隔变得模糊。

五 总线的资源分配规则

CAN总线上只有一对差分信号线，因此同一个时间只能由要给设备操作总线发送数据，我们需要指定资源分配规则，依次满足多个设备发送的需求

5.1 先到先得

若当前已经有设备正在操作总线发送数据帧/遥控帧，则其他任何设备不能再同时发送数据帧/遥控帧（可以发送错误帧/过载帧破坏当前数据）

那么怎么表示总线空闲呢？任何设备检测到连续11个隐性电平，即认为总线空闲。

5.2 非破坏性仲裁

若多个设备的发送需求同时到来或因等待而同时到来，则CAN总线协议会根据ID号（仲裁段）进行非破坏性仲裁，ID号小的（优先级高）取到总线控制权，ID号大的（优先级低）仲裁失利后将转入接收状态，等待下一次总线空闲时再尝试发送

首先非破坏仲裁有两个要求：

1. 线与特性：总线上任何一个设备发送显性电平0时，总线就会呈现显性电平0状态，只有当所有设备都发送隐性电平1时，总线才呈现隐性电平1状态
2. 回读机制：每个设备发出一个数据位后，都会读回总线当前的电平状态，以确认自己发出的电平是否被真实的发送出去了，根据线与特性，发出显性0读回必然是0，发出隐性1读回不一定是1，因为总线上可能会有别的设备在发送显性0

接下来我们详细了解CAN中的仲裁机制和依据：
简单来讲，其仲裁机制为：数据位从前到后依次比较，出现差异且数据位为1的设备仲裁失利

以下图为例，有两个单元同时发送数据，首先两个SOF段都是隐性1，然后接着是仲裁段，里面是报文ID号，直到红色部分，单元1发送了隐性1，单元2发送了显性0，在总线上显示为显性0。对于单元2，发送和回读数据一致，继续发送；对于单元1，发送和回读数据不一致，证明有设备在和它一同发送数据，并且其仲裁段ID号比设备1小（ID小者优先级高），那么设备1则仲裁失利，停止发送推迟到下一个帧再次发送。

当ID号一样的时候，数据帧优先级高于遥控帧，因为RTR位中数据帧为显性0，遥控帧为隐性1。换个说法，遥控帧是申请数据的，数据帧是发送数据的，那自然是优先发送负载有别人需要的数据的数据帧

同样，标准格式优先级高于扩展格式，因为IDE位标准格式为显性0，扩展格式相反