CAN通讯学习上集

大家好啊，今天雨很大，回来的比较早，有点时间，总结一下近期学的CAN通讯的知识！

作为一个车辆毕业的大学生，这个东西得懂点啊，不管你是不是车辆的，或许学嵌入式相关的，搞电子的，你也得懂点，不然愧对职业或者专业了，哈哈哈哈哈哈哈，开玩笑的，混子知道，大学老师没有讲过，hhhhh!但是我们还是需要了解一番的，现在很多东西都离不开，大到我们天天说的无人驾驶、新能源汽车这些，这个东西都入神经一样在这些东西里面的。

下面我就结合自己理解的和网上的一些资料和我导师给我们讲的，大概记录一下CAN的基础相关的知识，也算是对近期学的作一个简单的回顾与总结！

先简单的说一下概念定义

CAN总线：CAN 是Controller Area Network 的缩写（以下称为 CAN），是 ISO1 国际标准化的串行通信协议。
在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。为适应“减少线束的数量”、“通过多个 LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的 CAN 通信协议。此后，CAN 通过 ISO11898 及 ISO11519 进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。

应用：

现在，CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

CAN的实现原理

CAN 控制器根据两根线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。
这个可能要引入一个概念差分信号，至于显性隐形这里大家可能暂时不要关心，但是如果你玩过单片机你应该要猜到高低电平的概念，这个类似但不是，可以对比理解。

差分信号：

差分传输是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相等，相位相差180度，极性相反。在这两根线上传输的信号就是差分信号。(类比双绞线理解吧)

通俗易懂的说就说：这种信号不是来自一条线，而是两条线的差值才是我们需要的信号！

那么他的优点就很好理解了，在一个环境中，如果受外界干扰，两条线上的电平是同时发生变化的嘛，然后这种干扰丝毫是不影响两个线的差值的，类似与等号的同加同减性。类似于3-1=2，我们干扰了比如说就相当于削弱了0.5的信号，那结果（3-0.5）-（1-0.5）=2，结果也是一样的。

接下来说一下CAN总线的特点：

1） 多主控制。在总线空闲时，所有单元都可以发送消息（多主控制），而两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符（Identifier 以下称为 ID）决定优先级。ID 并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的优先级。两个以上的单元同时开始发送消息时，对各消息ID 的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜（被判定为优先级最高）的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。
2） 系统的柔软性。与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息。因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变。
3） 通信速度较快，通信距离远。最高1Mbps（距离小于40M），最远可达10KM（速率低于5Kbps）。
4） 具有错误检测、错误通知和错误恢复功能。所有单元都可以检测错误（错误检测功能），检测出错误的单元会立即同时通知其他所有单元（错误通知功能），正在发送消息的单元一旦检测出错误，会强制结束当前的发送。强制结束发送的单元会不断反复地重新发送此消息直到成功发送为止（错误恢复功能）。
5） 故障封闭功能。CAN 可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误（如外部噪声等）还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）。由此功能，当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。
6） 连接节点多。CAN 总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速度，可连接的单元数增加；提高通信速度，则可连接的单元数减少。

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。

1. 闭环总线网络

CAN物理层的形式主要有两种，图 中的CAN通讯网络是一种遵循ISO11898标准的高速、短距离"闭环网络"，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。

CAN闭环总线通讯网络

2. 开环总线网络

图中的是遵循ISO11519-2标准的低速、远距离"开环网络"，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。

CAN开环总线通讯网络

3. 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VH-VL=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VH-VL=2V。
例如，当CAN收发器从CAN_Tx线接收到来自CAN控制器的低电平信号时(逻辑0)，它会使CAN_High输出3.5V，同时CAN_Low输出1.5V，从而输出显性电平表示逻辑0。

CAN的差分信号（高速）

在CAN总线中，必须使它处于隐性电平(逻辑1)或显性电平(逻辑0)中的其中一个状态。假如有两个CAN通讯节点，在同一时间，一个输出隐性电平，另一个输出显性电平，类似I2C总线的"线与"特性将使它处于显性电平状态，显性电平的名字就是这样来的，即可以认为显性具有优先的意味。

由于CAN总线协议的物理层只有1对差分线，在一个时刻只能表示一个信号，所以对通讯节点来说，CAN通讯是半双工的，收发数据需要分时进行。在CAN的通讯网络中，因为共用总线，在整个网络中同一时刻只能有一个通讯节点发送信号，其余的节点在该时刻都只能接收。

协议层方面的东西

1. CAN的波特率及位同步

由于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。

位时序分解

为了实现位同步，CAN协议把每一个数据位的时序分解成如图 405所示的SS段、PTS段、PBS1段、PBS2段，这四段的长度加起来即为一个CAN数据位的长度。分解后最小的时间单位是Tq，而一个完整的位由8~25个Tq组成。为方便表示，图中的高低电平直接代表信号逻辑0或逻辑1(不是差分信号)。

CAN位时序分解图

该图中表示的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。

各段的作用如介绍下：

 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。

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，假设上图中的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T_1bit =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。

同步过程分析

波特率只是约定了每个数据位的长度，数据同步还涉及到相位的细节，这个时候就需要用到数据位内的SS、PTS、PBS1及PBS2段了。
根据对段的应用方式差异，CAN的数据同步分为硬同步和重新同步。其中硬同步只是当存在"帧起始信号"时起作用，无法确保后续一连串的位时序都是同步的，而重新同步方式可解决该问题，这两种方式具体介绍如下：

(1) 硬同步

若某个CAN节点通过总线发送数据时，它会发送一个表示通讯起始的信号(即下一小节介绍的帧起始信号)，该信号是一个由高变低的下降沿。而挂载到CAN总线上的通讯节点在不发送数据时，会时刻检测总线上的信号。
见下图，可以看到当总线出现帧起始信号时，某节点检测到总线的帧起始信号不在节点内部时序的SS段范围，所以判断它自己的内部时序与总线不同步，因而这个状态的采样点采集得的数据是不正确的。所以节点以硬同步的方式调整，把自己的位时序中的SS段平移至总线出现下降沿的部分，获得同步，同步后采样点就可以采集得正确数据了。

硬同步过程图

(2) 重新同步

前面的硬同步只是当存在帧起始信号时才起作用，如果在一帧很长的数据内，节点信号与总线信号相位有偏移时，这种同步方式就无能为力了。因而需要引入重新同步方式，它利用普通数据位的高至低电平的跳变沿来同步(帧起始信号是特殊的跳变沿)。重新同步与硬同步方式相似的地方是它们都使用SS段来进行检测，同步的目的都是使节点内的SS段把跳变沿包含起来。

重新同步的方式分为超前和滞后两种情况，以总线跳变沿与SS段的相对位置进行区分。第一种相位超前的情况如图，节点从总线的边沿跳变中，检测到它内部的时序比总线的时序相对超前2Tq，这时控制器在下一个位时序中的PBS1段增加2Tq的时间长度，使得节点与总线时序重新同步。

相位超前时的重新同步

第二种相位滞后的情况如图 408，节点从总线的边沿跳变中，检测到它的时序比总线的时序相对滞后2Tq，这时控制器在前一个位时序中的PBS2段减少2Tq的时间长度，获得同步。

相位滞后时的重新同步

在重新同步的时候，PBS1和PBS2中增加或减少的这段时间长度被定义为"重新同步补偿宽度SJW (reSynchronization Jump Width)"。一般来说CAN控制器会限定SJW的最大值，如限定了最大SJW=3Tq时，单次同步调整的时候不能增加或减少超过3Tq的时间长度，若有需要，控制器会通过多次小幅度调整来实现同步。当控制器设置的SJW极限值较大时，可以吸收的误差加大，但通讯的速度会下降。

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未完待续！

小结：

由于时间关系，混子明天还上班的，就大概列举到这里，部分东西也是引用网上的，自己也看过一些，大家也可以去搜了看看，野火的关于这方面的讲解还是可以，还有推介文档《CAN入门》、《CAN基础》，这些可以去细看。
如果你只是作为一个了解的话，你掌握这个文章的协议层以上的东西就可以，大概能够说出来点东西，大概知道是怎么个回事就可以，当然如果你要深入了解什么的可以钻研，如果你只是想用起来它，实际上没得这种复杂，因为它就是一种总线而已，很多说的那些功能都已经实现的了，我们更多的是在应用层进行开发使用。
嗯，就记录到这里，后面我有时间再接着写一下CAN报文、数据帧的格式等相关的东西，就结束了！

同时也欢迎大家转发学习，让更多的人了解，微信搜索那个混子即可找到我哦！

参考资料：
《STM32F4xx 中文参考手册2》、《STM32F4xx规格书》、库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》以及网络博客
本文部分内容参考网络，同时感谢各位大佬，文章仅用于知识技术传播学习，未商用！