CAN基础知识

1. 简介

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，是现场总线之一，基于串行数据通信协议。最初是应用于汽车控制中，为了实现对汽车整体的控制，将部件挂在CAN总线上，再用网关实现速率的分配。
CAN通信介质可以是双绞线、电缆或者光纤，通信速率高达1Mbps。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。
特点：

• 多主方式，根据消息ID决定优先级
• 因为是差分信号，所以抗电磁干扰强
• 是异步串行通信，采用半双工的方式
• 节点出现错误的情况下，具有自动关闭的功能。

与RS485比较：

2 工作原理

2.1 硬件原理

CAN通信，通过CAN控制器和CAN收发器以及CAN接口。
CAN接口分为CANH和CANL，各个节点通过这两根线进行差分信号传输，CANH和CANL之间一般需要接120Ω的电阻，避免信号的反射和干扰，多个部件挂接在CAN总线上时，首尾CAN接口均挂120Ω，中间的不用。

CAN总线电平按照CANH/L的电位差进行判断，只有两种，显性和隐形。
下面以协议ISO11898为例说明。
显性：CANH：3.5V
CANL：1.5V
差为2V。
表征为逻辑0
隐性：CANH：2.5V
CANL：2.5V
差为0V。
表征为逻辑1
高电平差表征逻辑0，似乎反向，为何呢？这主要是CAN收发器导致的，里面有个反向器，如下图所示。另外总线的“线与”功能，当为0的时候，显示为0，所以0是显性。

2.2 协议

CAN协议有两种标准，ISO11898和ISO11519-2，ISO11898标准适用于通信速率为125kbps-1Mbps。ISO11519-2适用于通信速率为125kbps以下。两种标准对比如下：

CAN通信的协议分为CAN2.0A和CAN2.0B,差别在于CAN2.0A定义了数据帧和遥控帧为11位标识符，CAN2.0B定义了数据帧和遥控帧为29位标识符。
CAN通信以下面5种帧进行的。

1）数据帧
包括七个段。

• 帧起始：表示数据帧开始的段，由1位显性位表示。
• 仲裁段：表示该帧优先级的段。
• 控制段：表示数据的字节数及保留位的段。
• 数据段：数据的内容，一帧可发送0~8个字节的数据
• CRC段：检查帧的传输错误的段
• ACK段：表示确认正常接收的段
• 帧结束：表示数据帧结束的段，由7位隐性位构成
  数据帧的构成如下：
  
  2）遥控帧由6个段组成，如下图所示，没有数据段。
  
  3）错误帧
  错误帧由错误标识（6个显性或者隐性位）和错误界定符（8个隐性位）构成。
  
  4）过载帧
  过载帧由过载标识（6个显性位）和过载界定符（8个隐性位）构成。
  
  5）间隔帧
  间隔帧由三个隐性位的间隔，8个隐性位的延迟传送和总线空闲组成。
  
  在总线上优先级的决定：
• 从仲裁段开始，连续输出显性电平多的继续发送，否则转为接收。
• 具有相同ID的数据帧和遥控帧竞争时，仲裁段的最后一位为显性的帧具有优先权。
• 标准格式和扩展格式的数据帧在总线上竞争时，标准格式的最后一位为显性的帧具有优先权。

位速率：发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟位数为位速率。
一个位可以分为4个段,每个段由最小时间单位Tq组成。

• 同步段（SS）
• 传播时间段（PTS）
• 相位缓冲段1（PBS1）
• 相位缓冲段2（PBS2）
  各段的作用如下：
  

2.3 CAN控制器的工作模式

有以下几种模式：

• 正常模式：CAN收发器芯片可以通过CANH和CANL既可以发送数据，也可以接收数据。
• 低功耗模式：CAN收发器既不能发送数据，也不能接收数据
• 静默模式：CAN收发器只能接收数据，不能发送数据，CAN总线为隐性状态。
  
• 环回模式：把发送的报文当做接收的报文保存在接收邮箱里。此种模式可用作自测试。
  
• 静默环回模式：在环回模式的基础上，CANTX被驱动到隐性。
  

2.4 通信过程

发送流程：
程序选择1个空置的邮箱（TME=1）-设置标识符（ID），数据长度和发送数据-设置CAN_TIxR的TXRQ位为1，请求发送-邮箱挂号（等待成为最高优先级）-预定发送（等待总线空闲）-发送-邮箱空置。
发送函数如下：

接收流程：
FIFO空-收到有效报文读取数据。
接收函数如下：

参考文献

《CAN入门教程》
《CAN通信基础知识介绍-M4》