CAN总线

最近在看stm32的通讯部分由于can总线在工业上的应用，我选择以can总线为突破口进行学习。实际上在串口通讯所有的协议中，can总线也是我认为最复杂的一个协议。看了几天，为了能够更加通俗的理解can的原理和stm32中bxcan的配置因此写此blog。

##什么是can？
CAN是Controller Area Network的缩写，是ISO国际标准化的串行通信协议，由德国电气商博世公司在1986年率先提出，现在在欧洲是汽车网络的标准协议
CAN经ISO标准化后有两个标准：ISO11898和ISO11519-2其中前者为125Kbps~1Mbps的高速通信标准，而后者是针对通信速率为125Kbps以下的低速通信标准。
CAN的通讯因为差分原理具有很高的可靠性，而协议的确定也增加了这种可靠性。

CAN物理层特征
CAN 控制器根据CAN_L和CAN_H上的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平，二者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。
显性电平对应逻辑：0
CAN_H和CAN_L之差为2V左右。
隐性电平对应逻辑：1
CAN_H和CAN_L之差为0V。

理解：在该系统中，只要有一个单元输出的是 显性则整个系统为显性，显性电平具有优先权。只有所有单元都输出隐形电平时，总线才为隐形电平。此外CAN总线起始端有电阻，用来做阻抗匹配，以减少回波反射。至于为什么显性是0而隐性是1是因为在CAN通讯中0有更高的优先级而且别人就这设定的- -

CAN通讯的方式？
以帧的形式通讯：
1.数据帧：传递数据
2.遥控帧：请求发送数据
3.错误帧：标定错误
4.过载帧：被接收单元用来通知还没有准备好接收帧
5.间隔帧:将数据遥控帧和错误过载帧分离
其中数据帧和遥控帧有标准格式和拓展格式两种，区别在于标准格式有11位标识符，拓展格式有29位标识符

数据帧
（1）帧开始（SOF）：这个域表示数据帧的开始。
（2）仲裁域：这个域表示一个帧的优先级
（3）控制域：这个域表示保留位和数据字节数
（4）数据域：这是数据内容，0-8个字节的数据能被发送
（5）CRC域：这个域用于检查帧的传输错误。
（6）ACK域：是对帧已经被正常接收的一个证实。
（7）帧结束：指示数据帧结束

（1）帧开始（SOF），对标准的或扩展的格式都是一样的。它指示一帧的开始，由1bit的显性位组成。
（2）仲裁域，这个域表示数据的优先级别。这个域的结构，对标准和扩展的格式是有差别的。
注1：关于ID：
标准格式的ID有11bit，从ID28到ID18被依次发送，禁止高7位全为隐性。（禁止设定：ID=1111111xxxx）。这样总共有（2048-16）个ID能被使用。
扩展格式的ID有29个bit。基本ID从ID28到ID18，扩展ID由ID17到ID0表示，基本ID和标准格式ID相同，禁止高7bit全都为隐性，（禁止设定：基本ID=1111111xxxx）。这样总共有（2048-16）个ID能被使用。
在任何情况下，总线上不可能有多个设备在同一时刻使用同一个ID传输数据帧。
（3）控制域，占6个bit，指示要传输信息的数据字节数，这个域的结构，对标准和扩展的格式是有差别的。如图18所示
注1：保留位（r0，r1），保留位必须以显性电平传送，然而，在接收侧可以接收显性、隐性集任意组合的电平。
注2：数据长度码（DLC）数据的字节数必须是0-8个字节，但接收方对DLC=9-15的情况并不视为错误。
（4）数据域，对标准的或扩展的格式都是一样的。这个域是传输的数据，可以是0到8个字节，字节数载控制域中指明。数据输出开始于MSB。
（5）CRC域，对标准的或扩展的格式都是一样的。这个域用来检查帧是否有传输错误，它由15bit CRC码和一个bitCRC定界符（delimiter）（separating bit分隔bit）CRC的产生方法是采用下面的多项式：，CRC的计算范围是SOF、仲裁域、控制域、数据域。在接收侧，会对接收到的数据帧的这些域进行CRC计算，如果计算结果与收到的CRC不一致，则表明存在传输错误。
（6）ACK域，是对一帧已被正常接收的一个确认信号，由2个bit组成，一个是ACK的slot，一个是ACK的定界符（delimiter），发送单元ACK段：发送2个隐性位。
接收单元ACK段：接收到正确消息的单元，在ACK槽发送显性位，通知发送单元，正常接收结束。称之为发送ACK/返回ACK。
注意：发送 ACK 的是既不处于总线关闭态也不处于休眠态的所有接收单元中，接收到正常消息的单元（发送单元不发送ACK）。正常消息是指：不含填充错误、格式错误、CRC 错误的消息。
（7）帧结束，指示一帧结束，由7个隐性位组成。

远程帧
远程帧是接收单元请求发送单元发送一个信息，遥控帧有6个域组成。如图显示的那样，除了没有数据域外其它与数据帧的结构是一样的。
(1) 帧开始（SOF）：这个域表示数据帧的开始。
(2) 竞争域：这个域表示数据的优先级，具有同样ID的数据帧被请求。
(3) 控制域：这个域表示保留位和数据字节数
(4) CRC域：这个域用于检查帧的传输错误。
(5) ACK域：是对帧已经被正常接收的一个证实。
(6) 帧结束：指示遥控帧的结束

远程帧和数据帧理解：
1.远程帧和遥控帧之间的不同：
远程帧没有数据域，在仲裁域里的RTR位是隐性电平，而数据帧RTR则为显性的。
没有数据的数据帧与远程帧可以通过RTR为来区分
2.遥控帧没有数据域，其数据长度码用来干什么？
远程帧的数据长度码的值表示对应请求的数据帧的数据长度码。
3.没有数据域的数据帧用来干什么？
例如，数据帧可以被各单元用来作为周期连接确认/应答，或者仲裁域本身带有实质性信息。

错误帧
这个帧用来通知在传输期间发生了一个错误，错误帧由一个错误标志和一个错误定界符组成，错误帧由CAN的硬件来发送。图显示了错误帧的结构。
(1) 错误标志：有2种错误标志类型：主动错误和被动错误标志
a)主动错误标志：6个显性位
b) 被动错误标志：6个隐性位
(2) 错误分隔符：由8个隐性位组成。

注1：错误回声：取决于连接到总线上的各单元检测出错误的时间，错误标志可能一个重叠在另一个上，总共可达12bit长度。
注2：主动错误标志：处于主动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志。
注3：被动错误标志：处于被动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志。

过载帧
这个帧被接收单元用来通知还没有准备好接收帧。它由一个过载标志和一个过载分隔符组成。

(1) 过载标志：由6个显性位组成，过载标志与错误帧的主动错误标志具有相同的结构。
(2) 过载分隔符：由8个隐性位组成，过载分隔符与错误帧的错误分隔符具有相同的结构。
注1：错误回声：向错误标志一样，取决于时间，过载标志可能一个重叠在另一个上，总共可达12bit长度。

间隔帧
这个帧用来隔开数据帧和遥控帧。数据和遥控帧可通过插入帧间间隔与前面传输的任何帧（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间隔。
（1）间隔：由3个隐性位组成。在间隔期间如果检测到显性电平，则必须发送过载帧，然而，如果间隔的第3bit是显性电平，间隔被认为是SOF
（2）总线空闲：是隐性电平，长度没有限制（它可以是0bit长）。当总线处于这种状态的时候，总线被认为是自由空闲的，任何单元都可以启动发送信息。
（3）暂停传输（传输暂停期）：有8个隐性位组成。只在处于被动错误状态的单元刚发送一个消息后的帧间隔中包含的段。

谁先发？
当有帧在同时发送时，这时就涉及到优先级问题，称为总线仲裁。
①在总线空闲状态，最先开始发送消息的单元获得发送权。
②多个单元同时开始发送时，各发送单元从仲裁域的第一位开始进行仲裁。连续输出显性电平最多的单元可继续发送。从ID开始比较

理解：
(1)数据帧和遥控帧的优先级
具有相同 ID 的数据帧和遥控帧在总线上竞争时，仲裁段的最后一位（RTR）为显性位的数据帧具有优先权，可继续发送。
(2)标准格式和扩展格式的优先级
标准格式 ID 与具有相同ID 的遥控帧或者扩展格式的数据帧在总线上竞争时，标准格式的RTR 位为显性位的具有优先权，可继续发送。

位时序基本概念
现在假设这么一个场景主机以101010…的数据发送给从机，而从机的采样时间如何和主机一致则数据就是101010…但是如果从机采样时间和主机不一样则信息的传输会出现混乱比如说从机可能接收到到的数据是00000…这个问题是通讯双方通过约定波特率解决的。
在CAN通讯中，非同步状态下每秒发送的位数称为位数率，依据时间片的概念将1个bit的时间分为四个部分
1.同步段（SS）
2.传播时间段（PTS）
3.相位缓冲段1（PBS1）
4.相位缓冲段2（PBS2）
这些又由可称为Time Quantum（以下称为Tq）的最小时间单位构成。1 位分为4 个段，每个段又由若干个Tq 构成，这称为位时序。位时间=1/波特率，因此，知道位时间，我们就可以知道波特率。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。
位时序各段作用和Tq如下表：

注1：IPT代表信息处理时间，是以采样点作为起始的时间段，用于计算后续位的位电平。这是硬件在一个采样点后立刻改变位的电平所必须要的。这个时间等于或小于2Tq，。
注2：因为采样点是处于PBS1结束处，所以IPT和PBS2重叠。当IPT = 2Tq时，PBS2不可能选为1，因此，PBS2必须是2到8Tq。
注3：重新同步的结果使相位缓冲段1增长，或使相位缓冲段2 缩短。相位缓冲段加长或缩短的数量有一个上限，此上限由SJW（重新同步跳转宽度）给定。重新同步跳转宽度应设置于1和最小值之间（此最小值为4*PBS1）。
可以从一位值转换到另一位值的过渡过程得到时钟信息。这里有一个属性，即：只有后续位的一固定最大数值才具有相同的数值。这个属性使总线单元在帧期间重新同步于位流成为可能。可用于重新同步的两个过渡过程之间的最大的长度为29个位时间。

##同步如何取得
CAN总线的通讯是采用NRZ（Non-Return to Zero，非归0）码，数据本身并不携带时钟信息，也即在每一位的开始或结束没有同步信号，发送单元以位时序同步的方式开始发送帧数据，接收单元根据总线电平的变化进行同步并进行接收工作。
然而，发送器和接收器之间由于彼此的时钟误差或传输路径的相位误差可能会失去同步关系，因此接收单元在接收帧的时候，必须通过硬件同步或重新同步调整它的操作时序。

①首先进行硬同步
在总线空闲状态时，接收单元检测到SOF，就会执行这个同步调整过程。“隐式”电平跳变到“显式”电平的边缘的时间点被认为是SS，而不管SJW的值 硬同步只发生在帧的起始

如果沿出现在SS里，沿的相位误差e=0；
如果沿位于采集点（PBS1结束之前）之前，e>0；
如果沿位于采集点之后，e<0；

②假如输出没有延迟，但是主机和从机晶振不同，虽然已实现硬同步，但是采集信息仍有问题，这是就进行重同步解决问题
重同步的本质为增加或减少位定位时间来和总线上的其他节点同步
在接收过程中检测到总线电平发生了改变时执行重新同步操作。

每当检测到一个边沿（总线电平的改变），收发单元根据SJW值通过增加PBS1段或减少PBS2段，来调整同步。但，如果发生了超出SJW值的误差时，最大调整量不能超过SJW值。

调整同步的规则
硬件同步和再同步的执行遵从如下规则：

1. 在1个位时间里（或者说在2个采样点之间），只允许一个同步（或者说只进行一次同步调整）。
2. 只有当采样点之前的总线电平和边沿后的总线电平不同时，该边沿才能用于调整同步。
3. 如果出现隐性电平到显性电平变化的边沿，且条件（1）和（2）满足，将进行同步。
4. 如果在帧间间隙期间发生隐性电平到显性电平的信号边沿（除了间隙里的第一位），则总会执行硬件同步。
5. 如果发生从所有其它隐性电平到显性电平的信号边沿，则执行再同步。
6. 如果发送单元自身输出的显性电平被检测到有延迟，则不执行再同步。
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