R5 STM32 CAN总线协议-1物理层协议层

STM32 CAN总线-1

CAN是控制器局域网络(Controller Area Network)的简称。
具有的高可靠性和良好的错误检测能力。为半双工。

目录

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1. CAN 物理层

与I2C、SPI等具有时钟信号的同步通讯方式不同，CAN通讯并不是以时钟信号来进行同步的，它是一种异步通讯，只具有CAN_High和CAN_Low两条信
号线，共同构成一组差分信号线，以差分信号的形式进行通讯。(没有时钟)
CAN物理层的形式主要分为闭环总线及开环总线网络两种，一个适合于高速通讯，一个适合于远距离通讯。

1.1 闭环总线网络

CAN闭环通讯网络是一种遵循ISO11898标准的高速、短距离网络，它的总线最大长度为40m，通信速度最高为1Mbps，总线的两端各要求有一个“120欧”的电阻。

1.2 开环总线网络

CAN开环总线网络是遵循ISO11519-2标准的低速、远距离网络，它的最大传输距离为1km，最高通讯速率为125kbps，两根总线是独立的、不形成闭环，要求每根总线上各串联有一个“2.2千欧”的电阻。

1.3 通讯节点

1.CAN总线上可以挂载多个通讯节点，节点个数理论上不受限制，只要总线的负载足够即可，可以通过中继
器增强负载。
2.CAN通讯节点由一个CAN控制器（STM32内置有）及CAN收发器组成，控制器与收发器之间
通过CAN_Tx及CAN_Rx信号线相连，收发器与CAN总线之间使用CAN_High及CAN_Low信号线相连。其中CAN_Tx及CAN_Rx使用普通的类似TTL逻辑信号（TTL信号在STM32就是3.3V和0V），而CAN_High及CAN_Low是一对差分信号线，使用比较特别的差分信号。

1.4 差分信号

1.抗干扰能力强
2.能有效抑制它对外部的电磁干扰
3.时序定位精确
由于差分信号线具有这些优点，所以在USB协议、485协议、以太网协议及CAN协议的物理层中，都使用了差分信号传输。

1.5 CAN协议中的差分信号

CAN协议中对它使用的CAN_High及CAN_Low表示的差分信号做了规定。
以高速CAN协议为例，当表示逻辑1时(隐性电平)，CAN_High和CAN_Low线上的电压均为2.5v，即它们的电压差V H -V L =0V；而表示逻辑0时(显性电平)，CAN_High的电平为3.5V，CAN_Low线的电平为1.5V，即它们的电压差为V H -V L =2V。

2. CAN 协议层

2.1 CAN的波特率及位同步

CAN属于异步通讯，没有时钟信号线，连接在同一个总线网络中的各个节点会像串口异步通讯那样，节点间使用约定好的波特率进行通讯，特别地，CAN还会使用“位同步”的方式来抗干扰、吸收误差，实现对总线电平信号进行正确的采样，确保通讯正常。

2.1.1 位时序分解

图中表示的CAN通讯信号每一个数据位的长度为19Tq，其中SS段占1Tq，PTS段占6Tq，PBS1段占5Tq，PBS2段占7Tq。信号的采样点位于PBS1段与PBS2段之间，通过控制各段的长度，可以对采样点的位置进行偏移，以便准确地采样。
以下都不是重点，不过可以了解下：
SS段(SYNC SEG)
SS译为同步段，若通讯节点检测到总线上信号的跳变沿被包含在SS段的范围之内，则表示节点与总线的时序是同步的，当节点与总线同步时，采样点采集到的总线电平即可被确定为该位的电平。SS段的大小固定为1Tq。
PTS段(PROP SEG)
PTS译为传播时间段，这个时间段是用于补偿网络的物理延时时间。是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时总和的两倍。PTS段的大小可以为1~8Tq。
PBS1段(PHASE SEG1)，
PBS1译为相位缓冲段，主要用来补偿边沿阶段的误差，它的时间长度在重新同步的时候可以加长。PBS1段的初始大小可以为1~8Tq。
PBS2段(PHASE SEG2)
PBS2这是另一个相位缓冲段，也是用来补偿边沿阶段误差的，它的时间长度在重新同步时可以缩短。PBS2段的初始大小可以为2~8Tq。

2.1.2通讯的波特率

总线上的各个通讯节点只要约定好1个Tq的时间长度以及每一个数据位占据多少个Tq，就可以确定CAN通讯的波特率。
例如，假设1Tq=1us，而每个数据位由19个Tq组成，则传输一位数据需要时间T1bit =19us，从而每秒可以传输的数据位个数为：
1x106­/19 = 52631.6 (bps)
这个每秒可传输的数据位的个数即为通讯中的波特率。

2.2 CAN的报文种类及结构

当使用CAN协议进行通讯时，需要对数据、操作命令(如读/写)以及同步信号进行打包，打包后的这些内容称为报文。

2.2.1 报文的种类

在原始数据段的前面加上传输起始标签、片选(识别)标签和控制标签，在数据的尾段加上CRC校验标签、应答标签和传输结束标签，把这些内容按特定的格式打包好，就可以用一个通道表达各种信号，各种各样的标签就如同SPI中各种通道上的信号，起到了协同传输的作用。当整个数据包被传输到其它设备时，只要这些设备按格式去解读，就能还原出原始数据，这样的报文就被称为CAN的“数据帧”。

2.2.2 数据帧的结构

数据帧以一个显性位(逻辑0)开始，以7个连续的隐性位(逻辑1)结束，在它们之间，分别有仲裁段、控制段、数据段、CRC段和ACK段。
以下不是重点，不过需要了解下：
帧起始
SOF段(Start Of Frame)，译为帧起始，帧起始信号只有一个数据位，是一个显性电平，它用于通知各个节点将有数据传输，其它节点通过帧起始信号的电平跳变沿来进行硬同步。
仲裁段
当同时有两个报文被发送时，总线会根据仲裁段的内容决定哪个数据包能被传输，这也是它名称的由来。
仲裁段的内容主要为本数据帧的ID信息(标识符)，数据帧具有标准格式和扩展格式两种，区别就在于ID信息的长度，标准格式的ID为11位，扩展格式的ID为29位，它在标准ID的基础上多出18位。
在CAN协议中，ID起着重要的作用，它决定着数据帧发送的优先级，也决定着其它节点是否会接收这个数据帧。CAN协议不对挂载在它之上的节点分配优先级和地址，对总线的占有权是由信息的重要性决定的，即对于重要的信息，可给它打包上一个优先级高的ID，使它能够及时地发送出去。
也正因为它这样的优先级分配原则，使得CAN的扩展性大大加强，在总线上增加或减少节点并不影响其它设备。

仲裁段ID的优先级也影响着接收设备对报文的反应。因为在CAN总线上数据是以广播的形式发送的，所有连接在CAN总线的节点都会收到所有其它节点发出的有效数据，因而CAN控制器大多具有根据ID过滤报文的功能，它可以控制自己只接收某些ID的报文

RTR位(Remote Transmission Request Bit)，译作远程传输请求位，它是用于区分数据帧和遥控帧的，当它为显性电平时表示数据帧，隐性电平时表示遥控帧。
IDE位(Identifier Extension Bit)，译作标识符扩展位，它是用于区分标准格式与扩展格式，当它为显性电平时表示标准格式，隐性电平时表示扩展格式。
SRR位(Substitute Remote Request Bit)，只存在于扩展格式，它用于替代标准格式中的RTR位。由于扩展帧中的SRR位为隐性位，RTR在数据帧为显性位，所以在两个ID相同的标准格式报文与扩展格式报文中，标准格式的优先级较高。
控制段,在控制段中的r1和r0为保留位，默认设置为显性位。它最主要的是DLC段(Data Length Code)，译为数据长度码，它由4个数据位组成，用于表示本报文中的数据段含有多少个字节，DLC段表示的数字为0~8。
数据段，数据段为数据帧的核心内容，它是节点要发送的原始信息，由0~8个字节组成，MSB先行。
CRC段，为了保证报文的正确传输，CAN的报文包含了一段15位的CRC校验码，一旦接收节点算出的CRC码跟接收到的CRC码不同，则它会向发送节点反馈出错信息，利用错误帧请求它重新发送。CRC部分的计算一般由CAN控制器硬件完成，出错时的处理则由软件控制最大重发数。在CRC校验码之后，有一个CRC界定符，它为隐性位，主要作用是把CRC校验码与后面的ACK段间隔起来。
ACK段，ACK段包括一个ACK槽位，和ACK界定符位。类似I2C总线，在ACK槽位中，发送节点发送的是隐性位，而接收节点则在这一位中发送显性位以示应答。在ACK槽和帧结束之间由ACK界定符间隔开。
帧结束，EOF段(End Of Frame)，译为帧结束，帧结束段由发送节点发送的7个隐性位表示结束。