Can总线协议学习

之前学习了Modbus协议的内容，后面几周晚上学习下Can总线。这几天晚上一直在看CanOpen协议源码，现在开始整理笔记，虽然网上有很多大牛写过，我还是自己记录下，这样印象才深刻。

1.Can总线电平介绍

Can总线为差分信合，抗干扰能力强。空闲时Can_H和Can_L的电平约为2.5V。下图是我在调试stm32 Can总线测量的波形，上面是Can_L，**下面是Can_H。**当时测量时给can收发器上的电源不到5V，所以看到前面和后面稳定电平只有2V。

• 显性和隐性电平
  在空闲状态Can总线电平为2.5V左右，此时总线表现的为隐形状态。当发送数据时Can_H会上升至少1V左右，而Can_L会下降1V左右，此时总线表现为显性状态。
  [1]总线空闲时，总线表现为隐形电平(高电平)
  [2]CanH上升Can_L下降，总线为隐形电平(低电平)

• 为什么显性表现为低电平而隐性表现为高电平
  主要是Can总线执行的是 “线与” 操作。如下所示，某一时刻A发送0数据，使得总线为显性0状态，此时如果B在发送1时，检测到总线电平为0，所以1&0还是0，其实这里就是仲裁的原理了。

2.Can总线何时是空闲的

当总线连续表现为11个位的隐形电平(高电平)，则总线为空闲状态。但是Can总线不是说5个相同位后就会有一个反转位码，那是发生在发送数据时。总线空闲时没有发送数据,发送数据时不会出现这么多隐性位。

3.Can总线的标准帧和扩展帧结构

下图为Can总线帧格式，目前有两种格式，标准帧和扩展帧。差异主要体现在标识符。
图片引用自：(https://www.cnblogs.com/isAndyWu/p/10298670.html)这篇博文写的也不错。

• SOF(Start of Frame):
  帧起始位由一个显性位启动(0),因为总线空闲时表现为高电平，那么此时发送一个显性0。收发器很快能侦测到有帧开始发送了。

• 仲裁域(Arbitration Field)
  仲裁域用来判断帧的优先级，优先级高的帧能得到总线使用权，其它仲裁失败的设备自动转为接收状态，待总线空闲时在发送数据。标准帧和扩展帧最大的区别主要体现在ID长度，区别如下：

  • 标准帧
    【1】.标准帧的ID有11位，这11位也是可以划分功能的。
    【2】.RTR(Remote Transmit Request)：这个为远程传输请求标志位，当节点需要请求其它节点的数据时，会发送远程帧请求数据(置1)。发送数据帧时此位置0.

  • 扩展帧
    【1】.扩展帧的标识符有29位，包括基本的11位ID和18位扩展ID。
    基本的11位ID决定扩展帧的基本优先级(这会和标准帧进行仲裁)。
    【2】.SRR(Substitute Remote Request)：此位为隐性位，这一位替代了原来的RTR位。如果其它设备也发送标准数据帧且ID和扩展帧前11位一样，那么标准帧优先发送。标准帧中的IDE为显性位，而扩展帧中的IDE为隐性位，所以标准帧的优先级高于扩展帧。

• 控制域(Control Field)
  控制域有6个bit的数据IDE/r1、r0、DLC3、DLC2、DLC1、DLC0上面能够看到，DLC(data length code) 有4个bit，说明最大能发送16个biit，但是实际中最大只能有8个byte，64Bit

  • 标准帧
    标准帧的ide/r1，r0其实是保留位，为显性位(0)
  • 扩展帧
    IDE(Identifier Extension):扩展标识符，当发送的是扩展帧时，此位为隐性电平。

• 数据域(Data Field)
  数据域最大可以保存64bit，8个字节。

• CRC域(CRC Field)
  包含15bit的CRC 序列和 CRC 界定符，CRC校验数据可以由硬件或者软件生成，界定符为“隐性”位(高电平) 。

• ACK域(ACK Field)
  应答域为2个bit，当发送站，发送完一帧后，它会往总线上发送2个位的隐性位，当主机接收到有效数据后，会在bit1保持期间，向总线发送一个显性位，这样发送者就能检测到有设备应答了。剩下的bit0，仍然是隐性位。

  bit1	bit0

• EOF(End of Frame)
  帧尾由7个连续的隐性位组成

4Can总线帧类型

4.1 数据帧

设备发送请求数据时，发送的即为数据帧。其帧结构前面已经记录过

4.2 远程帧

当设备需要请求其它数据时，即会发送远程帧。收到请求的设备，就会把数据发送过来。

4.3 错误帧

错误帧这块东西有点多，不过总结下来，就不难理解了。

(1)错误情景分下面几类

• CRC错误：这个好理解，接收节点接收数据检验时，发现接收的CRC和计算得到的CRC不同。
• 应答错误
  发送节点发送第一个bit1的显性位时，没有设备将总线拉低。没有接收到应答信号。
• 位发送错误
  发送数据期间，当发送数据与总线的电平不同时，发生此错误。比如发送数据时，某一时刻发送1，但是总线读过来的是0，就会发生错误。
• 位填充错误
  在发送数据期间，每连续发送5个相同的位时，都会自动发送一个反转位防止出错。没有就会报错了。
• 格式错误
  帧格式不在那4种报文格式之内，

(2)错误帧类型

该类型由错误标志和错误分隔符

上图和下图引用自瑞萨的《Can入门书》，其中TEC和REC不是发送和接收帧的数量，可以理解成错误的严重性。有几条评判标准，每满足一项，REC或者TEC都会累加一定值。

• 主动错误状态：当0主动错误标志符为6个显性电平。

• 被动错误状态：128被动错误标志符为6个高电平

  当设备检测到发送或接收错误时，就会发送主动错误标志符(一开始是主动)。错误标志符会影响接收节点接收帧，进而从站检测到错误(CRC)，然后那些处于主动状态的节点同样会往总线发送6个隐性位。

举个例子来说：

• 当首个处于主动错误状态的节点t1时刻开始发送错误标志符时，同时所有节点都侦测到错误且都处于主动错误状态，那么此时会呈现6个显性和8个隐性(总线线与后波形一致)。
• 当t1-1首个设备检测错误，此时首个设备开始发送错误标志符。 并发送被动错误标志符(6个隐性)，此时被动错误标志会被主动标志符覆盖。
• 在t1-1时刻，首个设备检测到错误，开始向总线发送错误标识符。加入此时传输的数据恰好是0x00，此时发送前五个0的时候，接收设备仍然以为在发送数据。当t-2时刻就会发生位填充错误，其它设备也会发送错误标志符，紧接着发送8个隐性位。

下面是stm32的Can帧格式，可以看到错误帧最多能有12bit的显性标志符。

4.4 过载帧

用于接收单元通知发送数据的单元，它还没有准备好接收帧。由过载标志和过载分隔符构成。

• 过载标志: 由6个显行位组成(6个0)

• 过载分隔符: 8个隐性位构成(6个1)

上面能够看到过载帧和主动错误帧标志符很类似。这样的话他们该怎么区分呢。从下图中能够看到过载帧前面可以是EOF、错误帧分隔符、过载帧分隔符。而错误帧前面是没有这个约束的。

5.Can总线仲裁机制

Can总线仲裁由帧中的仲裁域判断，在发送数据期间发送设备对发送的数据位与总线的电平进行比较。如果电平相同则继续发送后续bit位。如果不同且发送的位数据为隐性，而总线电平为显性，那么仲裁就失败了，退出发送状态了。其实也就说 消息的帧ID约小就先发送。以标准帧为举个例子吧。

• 举例说明
  加入某一个时刻有2个节点Node-A和Node-B分别发送ID为0x0a和0x11的数据。

  数据	bit7	bit6	bit5	bit4	bit3	bit2	bit1	bit0
  0x0a	0	0	0	0	1	0	1	0
  0x11	0	0	0	1	0	0	0	1

  总线发送数据线发送高位，可以看到bit7~bit5他们都是一样，难分胜负。到了bit4的时候，Node-A就胜出了。因为进行线与操作后，bit4和总线电平为显性。

• 当具有相同识别符的数据帧和远程帧，数据帧优先于远程帧

• 当扩展帧前11位ID和标准帧ID一样的话，标准帧优先级比扩展帧优先级高。