五、CAN总线

一、基础知识

1、can介绍

CAN（Controller Area Network），是ISO国际标准化的串行通信协议。

为了满足汽车产业的“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需求。

低速CAN(ISO11519)通信速率10~125Kbps，总线长度可达1000米。

高速CAN，经典CAN，(ISO11898)通信速率125Kbps~1Mbps，总线长度≤40米。

CAN FD 通信速率可达5Mbps，并且兼容经典CAN，遵循ISO 11898-1 做数据收发。

主流通信协议对比

UART

IIC

SPI

2、CAN硬件电路

• 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
• 高速CAN使用闭环网络，CAN_H和CAN_L两端添加120Ω的终端电阻
• 低速CAN使用开环网络，CAN_H和CAN_L其中一端添加2.2kΩ的终端电阻

终端电阻（120Ω），用于阻抗匹配，以减少回波反射。

CAN总线由两根线（ CANL 和 CANH ）组成，允许挂载多个设备节点（低速CAN:20 高速CAN:30）。

3、CAN电平标准

• CAN总线采用差分信号，即两线电压差（VCAN_H-VCAN_L）传输数据位

• 高速CAN规定：

        电压差为0V时表示逻辑1（隐性电平）
         电压差为2V时表示逻辑0（显性电平）
  

• 低速CAN规定：

        电压差为-1.5V时表示逻辑1（隐性电平）
         电压差为3V时表示逻辑0（显性电平）
  

• 显性电平具有优先权。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。

4、CAN收发器芯片介绍

    CAN收发器芯片：TJA1050、TJA1042、SIT1050T。

                                 战舰版开发板使用SIT1050T，支持高速CAN，传输速率可达1Mbps。

    D : CAN发送引脚

    R : CAN接收引脚

    Vref : 参考电压输出，可以用

    CANL : 低电位CAN电压输入输出端

    CANH : 高电位CAN电压输入输出端

    RS : 高速 / 静音模式选择（低电平为高速）

5、CAN帧格式

① CAN帧种类

    CAN总线以**“帧”形式**进行通信。CAN协议定义了5种类型的帧：数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、间隔帧，其中数据帧最为常用。

帧类型

帧作用

数据帧（Data Frame）

用于发送单元向接收单元传输数据的帧

遥控帧（Remote Frame）

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（Error Frame）

用于当检测出错误时向其他单元通知错误的帧

过载帧（Overload Frame）

用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧

间隔帧（Inter Frame Space）

用于将数据帧 及遥控帧与前面的帧分离开来的帧

② CAN数据帧

** 空闲状态**：隐形1

** 帧起始：**表示数据帧开始的段，显性信号。

** 仲裁段：**表示该帧优先级的段，优先级。

                   其中**ID**，区分数据的功能。**RTR，**区分广播式、数据帧（只写），请求式、遥控帧（读取）。

** 控制段：DLC，**数据段的字节数是可调的。

                  **保留位**：R0，R1（**IDE**），IDE表示区分标准格式和扩展格式。

** CRC段：**判断数据是否正确传输。发送方将前面，SOF到Data计算校验码，将校验码附在CRC中。接收方收到数据后，也会计算校验码，判断校验码是否一致。

            **     CRC界定符**：① 隔离CRC和ACK。② 在ACK槽之前，发送方释放总线（发生隐性1就是释放总线），将控制权给接收方发送应答信号。

** ACK段：**判断是否有接受方。

            **     ACK界定符**：接收方释放总线，交出控制权。

** 帧结束**：表示数据帧结束的段，7个隐性信号。

** 注意：**发送方每发送一位，接收方就立刻收到这一位。

③ CAN遥控帧

    遥控帧无数据段，**RTR为隐性电平1**，其他部分与数据帧相同。

    当某个设备发送遥控帧时，代表它想请求这个数据。

    请求方发出遥控帧，遥控帧的**ID**表示要请求的数据。

    响应请求的一方，通过相同**ID**的数据帧反馈数据。

    当请求和反馈数据同时发生时，数据帧拥有更高的优先级。

④ 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。

 **   例如：**

              即将发送：    100000110       10000011110    0111111111110
               实际发送：    1000001110       1000001111100    011111011111010
               实际接收：    1000001110       1000001111100    011111011111010
               移除填充后： 100000110       10000011110    0111111111110

    **位填充作用：**

              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。

              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。

⑤ 波形实例

• 标准数据帧，报文ID为0x555，数据长度1字节，数据内容为0xAA

• 标准数据帧，报文ID为0x666，数据长度2字节，数据内容为0x12, 0x34

• 扩展数据帧，报文ID为0x0789ABCD，数据长度1字节，数据内容为0x56

• 标准遥控帧，报文ID为0x088，数据长度1字节，无数据内容

6、接收方数据采样

• CAN总线没有时钟线，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。
• 发送方以约定的位时长每隔固定时间输出一个数据位。
• 接收方以约定的位时长每隔固定时间采样总线的电平，输入一个数据位。
• 理想状态下，接收方能依次采样到发送方发出的每个数据位，且采样点位于数据位中心附近。
• 数据位的位时长=1/波特率。

① 接收方数据采样遇到的问题

• 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

• 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

② 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。

• SS = 1Tq
• PTS = 1~8Tq
• PBS1 = 1~8Tq
• PBS2 = 2~8Tq

③ 硬同步

• 每个设备都有一个位时序计时周期，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。（接收方将自己的SS段与发送方调节为一致。）
• 硬同步只在帧的第一个下降沿（SOF下降沿）有效。
• 经过硬同步后，若发送方和接收方的时钟没有误差，则后续所有数据位的采样点必然都会对齐数据位中心附近。

位时序周期

④ 再同步

• 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。
• 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。
• SJW=1~4Tq。SJW为最大值。

⑤ 波特率计算

波特率 = 1 / 一个数据位的时长 = 1 / (TSS + TPTS + TPBS1 + TPBS2)