CAN总线学习笔记（单线CAN-bus、低速CAN-bus、高速CAN-bus物理层和数据链路层）
CAN总线学习笔记（单线CAN-bus、低速CAN-bus、高速CAN-bus物理层和数据链路层）
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- 1.通信层次
- 2.CAN简介
- 3.CAN总线物理层
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- 3.1 逻辑信号定义
- 3.2 同步和位填充
- 3.3 通信距离和速率
- 3.4 终端电阻
- 4.数据链路层
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- 4.1 数据帧
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- 4.1.1 帧起始
- 4.1.2 仲裁段
- 4.1.3 控制段
- 4.1.4 数据段
- 4.1.5 CRC段
- 4.1.6 ACK段
- 4.1.7 帧结束
- 4.2 远程帧
- 4.3 错误帧
- 4.4 过载帧
- 4.5 帧间隔
- 5.应用层
高速CAN：ISO 11898
低速CAN：ISO 11519-2
单线CAN：SAE J2411
1.通信层次
OSI开放系统互连模型
| 层次 | 功能 |
|---|---|
| 应用层 | 用户、软件、网络终端等之间用来进行信息交换 |
| 表示层 | 将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式 |
| 会话层 | 依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递 |
| 传输层 | 两通信节点之间数据传输控制，操作如：数据重发，数据错误修复 |
| 网络层 | 规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议，如：路由和寻址 |
| 数据链路层 | 规定了在介质上传输数据位的排列和组织，如：数据校验和帧结构 |
| 物理层 | 规定通信介质的物理特性，如：电气特性和信号交换的解释 |
2.CAN简介
Controller Area Network，控制器局域网。CAN-bus规范定义了物理层和数据链路层，CANopen、DeviceNet等定义应用层，应用层可自行设计。支持多主通信模式。
通信 = 相同层次间的信息沟通
3.CAN总线物理层
物理层把各种信息用收发器转换成物理信号，并将这些信号由电缆传输到其它目标设备。物理层相同的节点才能进行通信。
单线CAN：
显性电平为4V（接收时高于1.8-2.2V就会被判为显性），隐性电平为0V；
正常通讯模式波特率为33.333Kbps，高速通讯模式的波特率为83.333Kbps；
单条CAN-bus
3.1 逻辑信号定义
CAN收发器将逻辑信号（TXD、RXD）和物理信号（CANH、CANL）相互转换。CANH和CANL连接双绞线，信号差分传输，可以有效抑制共模干扰。CANH-CANL > 0.9V时为显性，对应逻辑信号为0，CANH-CANL < 0.5v时为隐性，对应逻辑信号为1。显性电平优先级高于隐性电平。
3.2 同步和位填充
为了消除波特率偏差带来的影响，CAN总线规定在信号的跳变沿时刻进行同步（重同步），对于连续多个相同电平导致误差累加的情况，通过连续5个相同位后面插一个相反位的位填充规则来得到跳变沿进行同步。硬同步只发生在帧起始。同步都发生在隐性电平到显性电平转换的跳变沿。
3.3 通信距离和速率
CAN-bus的通信距离和通信速率成反比，传输速率最快可以达到1Mbps，通信距离最远可以达到10km。
3.4 终端电阻
低速CAN总线在CANH和CANL上分别串接2.2kΩ的电阻
高速CAN总线在CANH和CANL之间串接120Ω的电阻
目的：使线路阻抗连续，信号波形完整。
4.数据链路层
单线CAN、低速CAN、高速CAN在数据链路层都相同，支持CAN2.0规范。数据链路层解决收发目标选择、数据校验、总线竞争、错误机制等问题。CAN-bus规定了5种通信帧——数据帧、远程帧、错误帧、过载帧、帧间隔。CAN控制器实现了数据链路层的全部功能以及物理层的位定时功能。
4.1 数据帧
特点：用于传输数据，使用最多，分为标准帧CAN2.0A和扩展帧CAN2.0B。（报文滤波如何实现的？）
4.1.1 帧起始
1bit显性电平，助记符为SOF。作用是进行硬同步。
4.1.2 仲裁段
对于CAN2.0A，仲裁段由11bit ID和RTR位组成，ID规定了数据帧的优先级，ID越小优先级越高；RTR位是远程发送请求位，标明该帧是数据帧还是远程帧，数据帧该位为显性，远程帧该位为隐性，因此，当ID相同时，数据帧的优先级高于远程帧。ID高7位ID10-ID4不得全为隐性。
对于CAN2.0B，差别仅仅在于在标准帧11位ID后面插入了1bit显性的替代远程帧请求位SRR，将标准帧中位于控制段的扩展识别位IDE接在SRR后面，然后接上扩展的18bit ID。扩展帧ID有29位。标准帧的优先级高于扩展帧。标准帧IDE为显性，扩展帧为隐性。
CAN控制器会监测数据线上的电平与发送位的电平，如果不相同，停止发送，如果该位在仲裁段，则退出总线竞争，如果不在仲裁段，则产生错误（除了ACK段和被动错误标志传输时）。
ID禁止高7位全为隐性。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。
（疑问：标准远程帧和扩展远程帧如何仲裁？标准帧位于控制段的IDE是否参与仲裁？为什么要将标准帧IDE归于控制段？）
目前的理解：这种情况下，即使过了仲裁段，总线上的竞争还在继续，同一时刻存在显性和隐性电平竞争总线时总是显性电平获得总线，而此时扩展帧仍处于仲裁段，还是会进入只听模式，相当于标准帧的IDE参与了仲裁，至于为什么标准帧IDE被归于控制段，暂时没有查到依据。
4.1.3 控制段
对于CAN2.0A，控制段由IDE、保留位r0、4位的数据段长度码DLC共6位组成。DLC表示数据段数据的字节数，取值0到8，用BCD码表示。
对于CAN2.0B，控制段由保留位r1、r0和4位长度码DLC共6bit组成。
4.1.4 数据段
数据段包含0到8个字节，byte0在前，每个字节先传MSB。数据量小，实时性高。
4.1.5 CRC段
CRC校验，将前4段所有位进行模2除以多项式[X15+X14+X10+X8+X7+X4+X^3+1]得到15位CRC值，再加上一位隐性的CRC界定符组成16位的CRC段。
4.1.6 ACK段
由一位ACK槽和一位ACK界定符组成。ACK槽期间发送节点发送隐性电平，接收正确节点发送显性电平将总线上信号拉低。ACK界定符位1位隐性电平。要保证发送节点在应答间隙期间接收到应答的显性位，对总线长度有了限制。
4.1.7 帧结束
7个连续的隐性位，助记符EOF。
4.2 远程帧
远程帧与数据帧点区别在于没有数据段，RTR为隐性，其余相同。
具有同样ID的数据帧被请求。
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。
区别于数据长度为0的数据帧，这种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。
4.3 错误帧
CAN-bus错误类型：CRC错误、应答错误、位发送错误、帧格式错误、位填充错误。
错误帧 = 错误标志 + 错误界定符
主动错误发送6显+8隐；被动错误6隐+8隐
发送错误>255时总线关闭。
4.4 过载帧
接收节点没有做好接收下一帧的准备，发出过载帧。
6显过载标志+8隐过载帧界定符
4.5 帧间隔
将数据帧或远程帧和他们之前的帧分离开，错误帧和过载帧前不能插帧间隔。
5.应用层
通过应用层协议来规范，工业领域主要有CANopen、Devicenet等协议。
| 数据类型 | 特点 |
|---|---|
| 实时数据 | 优先级高，采用无连接无应答点传输方式 |
| 非实时数据 | 优先级较低，通常基于连接和应答机制 |
| 状态数据 | 主站可以了解各个从站节点是否工作正常 |
节点间的传递模式：
生产者消费者模式——无论是否有听众，都发，听众选择需要的频道。
客户端服务器模式——一对一，开始前建立联系，结束后断开联系，通常传输非实时数据。
参考书目：周立功《项目驱动CAN-bus现场总线基础教程》