CAN总线是一种分布式的控制总线,它的网络由很多CAN节点构成,每个节点均由一个MCU(微控制器)、一个CAN控制器和一个CAN收发器构成,然后使用双绞线连接到CAN网络中。另外,在CAN总线的起止端都有一个120Ω的终端电阻,用来做阻抗匹配,以减少回波反射。
其网络拓扑结构如下图所示:
CAN 控制器是根据CAN_L和CAN_H上的电位差(即差分信号的形式)来判断总线电平。总线总线电平分为显性电平(对应逻辑0,电位差为2V左右)和隐性电平(对应逻辑1,电位差为0V),二者必居其一。发送方通过使总线电平发生跳变,将消息发送给接收方。
显性电平和隐性电平
总线上的电平有显性电平和隐性电平两种。
显性电平的逻辑值为“0”,隐性电平为“1”。
“显性”具有“优先”的意味,只要有一个单元输出显性电平,总线上即为显性电平。并且,“隐性”具有“包容”的意味,只有所有的单元都输出隐性电平,总线上才为隐性电平(显性电平比隐性电平更强)。
数据帧
数据帧由 7 个段构成,包括:
(1)帧起始。表示数据帧开始的段。
(2)仲裁段。表示该帧优先级的段。
(3)控制段。表示数据的字节数及保留位的段。
(4)数据段。数据的内容,一帧可发送0~8个字节的数据。
(5)CRC段。检查帧的传输错误的段。
(6)ACK段。表示确认正常接收的段。
(7)帧结束。表示数据帧结束的段。
(1) 帧起始(标准、扩展格式相同)
表示帧开始的段。1 个位的显性位(逻辑0)。
(2) 仲裁段(构成ID)
表示数据的优先级的段。标准格式和扩展格式在此的构成有所不同,如图:
*1 ID
从MSB开始,禁止高7位都为隐性,即不能:ID=1111111XXXX。
*2 RTR
远程请求位。0,数据帧;1, 遥控帧;
*3 SRR
替代远程请求位。设置为1(隐性电平);
*4 IDE
标识符选择位。0,标准帧;1,扩展帧;
(3) 控制段
控制段由 6 个位构成,表示数据段的字节数。标准格式和扩展格式的构成有所不同。
*1 保留位(r0、r1)
保留位必须全部以显性电平发送。但接收方可以接收显性、隐性及其任意组合的电平。
*2 数据长度码(DLC)
数据的字节数必须为 0~8 字节。但接收方对 DLC = 9~15 的情况并不视为错误。
*3 IDE
标识符选择位。0,标准帧;1,扩展帧;
(4) 数据段
数据段可包含 0~8 个字节的数据。从 MSB(最高位)开始输出。
(5) CRC 段
CRC 段是检查帧传输错误的帧。由 15 个位的 CRC 顺序和 1 个位的 CRC 界定符(用于与ACK段区别开来)构成。
*1 CRC的值计算范围包括:帧起始、仲裁段、控制段、数据段。
*2 接收方以同样的算法计算 CRC 值并进行比较,不一致时会通报错误。
(6) ACK 段
ACK 段用来确认是否正常接收。由 ACK 槽(ACK Slot)和 ACK 界定符 2 个位构成。
*1 发送单元的 ACK 段
发送单元在 ACK 段发送 2 个位的隐性位。
*2 接收单元的 ACK 段
接收到正确消息的单元在 ACK 槽(ACK Slot)发送显性位,通知发送单元正常接收结束。这称作“发 送 ACK”或者“返回 ACK”。
(7),帧结束。由7个位的隐性位组成。标准帧和扩展帧在这个段格式完全一样。
遥控帧
接收单元向发送单元请求发送数据所用的帧。遥控帧由 6 个段组成。遥控帧没有数据帧的数据段。
遥控帧的构成如图 24 所示。
(1) 帧起始(SOF)
表示帧开始的段。
(2) 仲裁段
表示该帧优先级的段。可请求具有相同 ID 的数据帧。
(3) 控制段
表示数据的字节数及保留位的段。
(4) CRC 段
检查帧的传输错误的段。
(5) ACK 段
表示确认正常接收的段。
(6) 帧结束
表示遥控帧结束的段。
遥控帧和数据帧的区别
• 数据帧和遥控帧的不同
遥控帧的 RTR 位为隐性位,没有数据段。
没有数据段的数据帧和遥控帧可通过 RTR 位区别开来。
• 遥控帧没有数据段,数据长度码该如何表示?
遥控帧的数据长度码以所请求数据帧的数据长度码表示。
• 没有数据段的数据帧有何用途?
例如,可用于各单元的定期连接确认/应答、或仲裁段本身带有实质性信息的情况下。
其他的帧比较简单,这里不做介绍。
优先级的决定
在总线空闲态,最先开始发送消息的单元获得发送权。
多个单元同时开始发送时,各发送单元从仲裁段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。
仲裁的过程如图 28 所示。
位时序
帧是以位为单位的,由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的位数称为位速率(波特率)。一个位可分为 4 段,分别是:
• 同步段(SS)
• 传播时间段(PTS)
• 相位缓冲段 1(PBS1)
• 相位缓冲段 2(PBS2)
这些段又由可称为 Time Quantum(以下称为 Tq)的最小时间单位构成。
也就是说,1 位分为 4 个段,每个段又由若干个 Tq 构成,这称为位时序。
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。
各段的作用和 Tq 数如下:
简要来说就是:
*1 同步段用来同步发送单元与接受单元的发送和接受的工作。
*2 传播时间段:属于一些硬件误差,无需理会。
*3 相位缓冲段:
举个例子:有两个单片机之间进行CAN通信,但是由于它们各自以独立的时钟进行工作,晶振可能存在偏差,导致时钟存在细微的误差,当发送数据较多时,这个误差会被逐渐放大,导致整个时序混乱,无法同步,这在汽车工业上是不允许的。
*4 再同步补偿宽度:其实就是一个由数个Tq组成的一个段,用来对同步误差进行补偿,下面对如何补偿进行阐述。
再同步
在接收过程中检测出总线上的电平变化时进行的同步调整。
每当检测出边沿时,根据 SJW 值通过加长 PBS1 段,或缩短 PBS2 段,以调整同步。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。再同步如图 34 所示。