CAN总线简易入门教程
时间：2021-12-07 15:34:56
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[导读]大家好，我是小麦。最近在调试一个CAN总线的设备遇到一些问题，简单总结一下。本文会对CAN总线进行简单介绍，CAN的硬件链路层，协议层，以及调试的一些心得。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消息时序以及同步位时...
大家好，我是小麦。最近在调试一个CAN总线的设备遇到一些问题，简单总结一下。本文会对CAN总线进行简单介绍，CAN的硬件链路层，协议层，以及调试的一些心得。
CAN总线长度与信号速率关系
硬件上的连接基本上都搞清楚了，下面就是如何去实现一个具体的CAN节点。我们来简单地介绍一下。数据帧格式
can_overload_frame 位时序
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
- 消息时序以及同步
- 位时序
- 波特率
- 消息过滤器
- 如何配置？
- 总结
- 参考
什么是CAN总线？
Controller Area Network，简称CAN或者CAN bus) 是一种功能丰富的串行总线标准，最早的CAN控制芯片在奔驰车上应用并量产，因为支持多主机，多从机的优点，所以一辆车所有控制器，传感器，电子设备直接的通信只需要两条线就够了，大大优化了整车的布线。[^wiki can bus]随着技术的不断发展，CAN发布了相应的标准，国际化标准组织，公布了CAN的不同标准；| 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是对应的设计标准，去搜索就可以知道这个技术点是如何进行设计的。
物理层
差分信号
这里我们介绍一下物理层，什么是物理层呢？就是CAN的电信号的传输过程。CAN是串行异步通讯，只有CAN_HIGH和CAN_LOW两条差分信号线，数据通过差分信号的方式进行通讯，其优点就是可以增加信号的抗干扰能力，抑制共模信号的干扰；具体如下图所示；连接方式
CAN总线支持多个节点挂载在总线上，比较类似I2C总线，可以在SCL和SDA上挂载多个从机，具体如下图所示；Node），节点直接可以相互通讯，相较于I2C总线，CAN总线设置了终端电阻，常见的一种闭环连接模式，相对的还有开环的连接模式。不同的连接模式，他们的通讯速率也大不相同，这里也就是高速CAN和低速CAN的区别。两条电线组成一条双绞线，并且接有120Ω的特性阻抗。ISO 11898-2，也称为高速度CAN。它在总线的两端均接有120Ω电阻。使用了
120Ω终端电阻（这是CAN的ISO标准里规定的），这种模式的最高通讯速率可以达到1Mbps，下面是传输距离和传输速度的关系；1 Mbps 降低到 125 Kbps，并且不再在总线的起点和终点使用两个终端电阻，而是将电阻分布在每个节点上。具体如下图所示；由于高速CAN和低速CAN的拓扑结构不同，另外终端电阻的分布也不同，所以CAN_HIGH和CAN_LOW上的电平是不相同的，这里有隐性电平和显性电平。硬件上的连接基本上都搞清楚了，下面就是如何去实现一个具体的CAN节点。我们来简单地介绍一下。
CAN节点
CAN节点通常分为三个部分；- MCU/CPU；
- CAN控制器，
- CAN收发器；
STM32，所以我们常见的结构一般是这样子的。- CAN总线上通过差分信号进行数据传输；
- CAN收发器将差分信号转换为TTL电平信号，或者将TTL电平信号转换为差分信号；
- CAN控制器将TTL电平信号接收，并传输给MCU；
CAN协议
CAN协议和网络协议比较类似，进行了分层的设计思想；- 物理层就是前面提到过的硬件拓扑结构，包括高速CAN和低速CAN，而CAN收发器就属于物理层；
- 传输层则是CAN控制器所需要做的事情，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应该是属于这一层，我们需要对CAN消息做信息的过滤设置，CAN消息的处理等等；
- 应用层就是基于对象层的进一步封装，不同的CAN标准，比如工业自动化领域的
CANopen，汽车诊断ISO 14229 定义的UDS等等；
如何寻址？
CAN总线上的每个节点不需要设置节点的地址，而是通过消息的标识符（Identifier）来区别信息。因为CAN总线的消息是广播的（就是大家都可以收到消息），比如总线上有节点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 会根据消息中的标识符，以及B和C中的消息过滤规则进行比较，如果不满足规则，就不接受这条信息。这里需要注意的是：- 发送消息的时候，总线必须处于空闲状态；
- 标识符越小，则消息获取总线的优先级越高；
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
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
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,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
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
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
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
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
00001560 到 00001567 的帧- 设置过滤码为
00001560 - 设置掩码为
1FFFFFF8
- 设置过滤码为
0 - 设置掩码为
0
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( 
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