CAN總線簡易教程，小白也能快速上手！
[導(dǎo)讀]大家好，我是小麥。最近在調(diào)試一個CAN總線的設(shè)備時遇到了一些問題，在此簡單總結(jié)一下。本文將對CAN總線進行簡單介紹，包括CAN的硬件鏈路層、協(xié)議層，以及調(diào)試的一些心得。目錄什么是CAN總線？物理層差分信號連接方式CAN節(jié)點CAN協(xié)議如何尋址？幀類型數(shù)據(jù)幀遠程幀錯誤幀過載幀消息時序...
大家好，我是小麥。最近在調(diào)試一個CAN總線的設(shè)備時遇到了一些問題，在此簡單總結(jié)一下。本文將對CAN總線進行簡單介紹，包括CAN的硬件鏈路層、協(xié)議層，以及調(diào)試的一些心得。
CAN總線長度與信號速率關(guān)系
硬件上的連接基本上都搞清楚了，下面就是如何去實現(xiàn)一個具體的CAN節(jié)點。我們來簡單地介紹一下。數(shù)據(jù)幀格式
can_overload_frame 位時序
目錄
- 什么是CAN總線？
- 物理層
- 差分信號
- 連接方式
- CAN節(jié)點
- CAN協(xié)議
- 如何尋址？
- 幀類型
- 數(shù)據(jù)幀
- 遠程幀
- 錯誤幀
- 過載幀
- 消息時序以及同步
- 位時序
- 波特率
- 消息過濾器
- 如何配置？
- 總結(jié)
- 參考
什么是CAN總線？
Controller Area Network，簡稱CAN或者CAN bus) 是一種功能豐富的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，最早的CAN控制芯片在奔馳車上應(yīng)用并量產(chǎn)，因為支持多主機，多從機的優(yōu)點，所以一輛車所有控制器，傳感器，電子設(shè)備直接的通信只需要兩條線就夠了，大大優(yōu)化了整車的布線。[^wiki can bus]隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，CAN發(fā)布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，國際化標(biāo)準(zhǔn)組織，公布了CAN的不同標(biāo)準(zhǔn)；| 標(biāo)準(zhǔn) | 涵蓋內(nèi)容 |
|---|---|
| ISO 11898-1 | 數(shù)據(jù)鏈路層 |
| ISO 11898-2 | 高速CAN的物理層 |
| ISO 11898-3 | 低速容錯CAN的物理層 |
ISO 11898-1?，ISO 11898-2是對應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，去搜索就可以知道這個技術(shù)點是如何進行設(shè)計的。
物理層
差分信號
這里我們介紹一下物理層，什么是物理層呢？就是CAN的電信號的傳輸過程。CAN是串行異步通訊，只有CAN_HIGH和CAN_LOW兩條差分信號線，數(shù)據(jù)通過差分信號的方式進行通訊，其優(yōu)點就是可以增加信號的抗干擾能力，抑制共模信號的干擾；具體如下圖所示；連接方式
CAN總線支持多個節(jié)點掛載在總線上，比較類似I2C總線，可以在SCL和SDA上掛載多個從機，具體如下圖所示；Node），節(jié)點直接可以相互通訊，相較于I2C總線，CAN總線設(shè)置了終端電阻，常見的一種閉環(huán)連接模式，相對的還有開環(huán)的連接模式。不同的連接模式，他們的通訊速率也大不相同，這里也就是高速CAN和低速CAN的區(qū)別。兩條電線組成一條雙絞線，并且接有120Ω的特性阻抗。ISO 11898-2，也稱為高速度CAN。它在總線的兩端均接有120Ω電阻。使用了
120Ω終端電阻（這是CAN的ISO標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定的），這種模式的最高通訊速率可以達到1Mbps，下面是傳輸距離和傳輸速度的關(guān)系；1 Mbps 降低到 125 Kbps，并且不再在總線的起點和終點使用兩個終端電阻，而是將電阻分布在每個節(jié)點上。具體如下圖所示；由于高速CAN和低速CAN的拓撲結(jié)構(gòu)不同，另外終端電阻的分布也不同，所以CAN_HIGH和CAN_LOW上的電平是不相同的，這里有隱性電平和顯性電平。硬件上的連接基本上都搞清楚了，下面就是如何去實現(xiàn)一個具體的CAN節(jié)點。我們來簡單地介紹一下。
CAN節(jié)點
CAN節(jié)點通常分為三個部分；- MCU/CPU；
- CAN控制器，
- CAN收發(fā)器；
STM32，所以我們常見的結(jié)構(gòu)一般是這樣子的。- CAN總線上通過差分信號進行數(shù)據(jù)傳輸；
- CAN收發(fā)器將差分信號轉(zhuǎn)換為TTL電平信號，或者將TTL電平信號轉(zhuǎn)換為差分信號；
- CAN控制器將TTL電平信號接收，并傳輸給MCU；
CAN協(xié)議
CAN協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較類似，進行了分層的設(shè)計思想；- 物理層就是前面提到過的硬件拓撲結(jié)構(gòu)，包括高速CAN和低速CAN，而CAN收發(fā)器就屬于物理層；
- 傳輸層則是CAN控制器所需要做的事情，包括CAN時序，同步，消息仲裁，確認，錯誤檢驗等，這個比較復(fù)雜，如果只是應(yīng)用開發(fā)，我認為，簡單了解一下即可；這一層需要做的工作包括：
- 故障約束；
- 錯誤監(jiān)測；
- 消息驗證；
- 信息確認；
- 仲裁；
- 信息幀；
- 傳輸速率和時間；
- 路由信息；
- 對象層，MCU應(yīng)該是屬于這一層，我們需要對CAN消息做信息的過濾設(shè)置，CAN消息的處理等等；
- 應(yīng)用層就是基于對象層的進一步封裝，不同的CAN標(biāo)準(zhǔn)，比如工業(yè)自動化領(lǐng)域的
CANopen，汽車診斷ISO 14229 定義的UDS等等；
如何尋址？
CAN總線上的每個節(jié)點不需要設(shè)置節(jié)點的地址，而是通過消息的標(biāo)識符（Identifier）來區(qū)別信息。因為CAN總線的消息是廣播的（就是大家都可以收到消息），比如總線上有節(jié)點A，節(jié)點B，節(jié)點C，那么節(jié)點A發(fā)消息，節(jié)點B和節(jié)點C都會收到消息；節(jié)點B 和 節(jié)點C 會根據(jù)消息中的標(biāo)識符，以及B和C中的消息過濾規(guī)則進行比較，如果不滿足規(guī)則，就不接受這條信息。這里需要注意的是：- 發(fā)送消息的時候，總線必須處于空閑狀態(tài)；
- 標(biāo)識符越小，則消息獲取總線的優(yōu)先級越高；
幀類型
CAN有4種幀類型：- 數(shù)據(jù)幀：包含用于傳輸?shù)墓?jié)點數(shù)據(jù)的幀
- 遠程幀：請求傳輸特定標(biāo)識符的幀
- 錯誤幀：由任何檢測到錯誤的節(jié)點發(fā)送的幀
- 過載幀：在數(shù)據(jù)幀或遠程幀之間插入延遲的幀
數(shù)據(jù)幀
數(shù)據(jù)幀分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀兩種格式；- 基本幀格式：有11個標(biāo)識符位
- 擴展幀格式：有29個標(biāo)識符位
sof：start of frame，表示數(shù)據(jù)幀開始；（1 bit）Identifier：標(biāo)準(zhǔn)格式11 bit，擴展格式29 bit包括Base Identifier（11 bit）和Extended Identifier（18 bit），該區(qū)段標(biāo)識數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級，數(shù)值越小，優(yōu)先級越高；RTR：遠程傳輸請求位，0時表示為數(shù)據(jù)幀，1表示為遠程幀，也就是說RTR=1時，消息幀的Data Field為空；（1 bit）IDE：標(biāo)識符擴展位，0時表示為標(biāo)準(zhǔn)格式，1表示為擴展格式；（1 bit）DLC：數(shù)據(jù)長度代碼，0~8表示數(shù)據(jù)長度為0~8 Byte；（4 bit）Data Field：數(shù)據(jù)域；（0~8 Byte）CRC Sequence：校驗域，校驗算法,DEL：校驗域和應(yīng)答域的隱性界定符；（1 bit）ACK：應(yīng)答，確認數(shù)據(jù)是否正常接收，所謂正常接收是指不含填充錯誤、格式錯誤、 CRC 錯誤。發(fā)送節(jié)點將此位為1，接收節(jié)點正常接收數(shù)據(jù)后將此位置為0；（1 bit）SRR：替代遠程請求位，在擴展格式中占位用，必須為1；（1 bit）EOF：連續(xù)7個隱性位（1）表示幀結(jié)束；（7 bit）ITM：幀間空間，Intermission (ITM)，又稱Interframe Space(IFS)，連續(xù)3個隱性位，但它不屬于數(shù)據(jù)幀。幀間空間是用于將數(shù)據(jù)幀和遠程幀與前面的幀分離開來的幀。數(shù)據(jù)幀和遠程幀可通過插入幀間空間將本幀與前面的任何幀（數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯誤幀、過載幀）分開。過載幀和錯誤幀前不能插入幀間空間。
遠程幀
一般地，數(shù)據(jù)是由發(fā)送單元主動向總線上發(fā)送的，但也存在接收單元主動向發(fā)送單元請求數(shù)據(jù)的情況。遠程幀的作用就在于此，它是接收單元向發(fā)送單元請求發(fā)送數(shù)據(jù)的幀。遠程幀與數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)類似，如上圖X所示。遠程幀與數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)區(qū)別有兩點：- 數(shù)據(jù)幀的 RTR 值為“0”，遠程幀的 RTR 值為“1”
- 遠程幀沒有數(shù)據(jù)塊
錯誤幀
用于在接收和發(fā)送消息時檢測出錯誤時，通知錯誤的幀。錯誤幀由錯誤標(biāo)志和錯誤界定符構(gòu)成。錯誤幀的幀結(jié)構(gòu)如圖11示。- 錯誤標(biāo)志：個顯性/隱性重疊位
- 主動錯誤標(biāo)志（6個顯性位）：處于主動錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標(biāo)志
- 被動錯誤標(biāo)志（6個隱性位）：處于被動錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標(biāo)志
- 錯誤界定符：8 個隱性位
過載幀
過載幀是用于接收單元通知發(fā)送單元它尚未完成接收準(zhǔn)備的幀。在兩種情況下，節(jié)點會發(fā)送過載幀：- 接收單元條件的制約，要求發(fā)送節(jié)點延緩下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀的傳輸；
- 幀間空間（Intermission）的 3 bit 內(nèi)檢測到顯性位
消息時序以及同步
位時序
在講CAN消息時序和同步之前，我們可以對照一下UART串口的傳輸協(xié)議，他有起始位和停止位，然后大家都規(guī)定使用相同的通訊速率（波特率）；其實CAN通訊也是類似的方式，它屬于異步通訊，沒有時鐘信號線，所以所有節(jié)點之間要約定好使用相同的波特率來傳輸數(shù)據(jù)。在總線空閑一段時間后，在（起始位） 進行硬同步，同步方式是將每一位劃分成多個稱為量子的時間段（time quanta），并分配一定數(shù)量的量子到位中的四個階段完成的。這四個階段分別為：SYNC_SEG：同步段，1 個時間量子長度。它用于同步各種總線節(jié)點；PROP_SEG：傳播段，1~8 時間量子長度。它用于補償網(wǎng)絡(luò)上的信號延遲。PHASE_SEG_1：相位緩沖段1，1~8 時間量子長度。它用于補償邊緣相位誤差，在重新同步期間可能會延長。PHASE_SEG_2：相位緩沖段2，2~8 時間量子長度。它用于補償邊緣相位誤差
波特率
如何計算波特率，需要知道每個量子時間的長度（time quanta），以及每一位需要多少個量子時間，假設(shè)這里time quanta = 1us ，并且1 bit = 8 tq，那么上圖中的波特率就應(yīng)該是：消息過濾器
前面有提到消息在CAN總線上是廣播式的，但并不是所有節(jié)點都會對總線上所有消息感興趣。節(jié)點通過控制器中過濾碼（Filter Code ）和掩碼（Mask Code），再檢驗總線上消息的標(biāo)識符，來判斷是否接收該消息（Message Filtering）。對于掩碼，“1”表示該位與本節(jié)點相關(guān)，“0”表示該位與本節(jié)點不相關(guān)。舉例如下：例1：僅接收消息標(biāo)識符為00001567（十六進制）的幀- 設(shè)置過濾碼為
00001567 - 設(shè)置掩碼為
1FFFFFFF
00001567接收，否則舍棄。例2：接收消息標(biāo)識符為00001567 到0000156F 的幀- 設(shè)置過濾碼為
00001560 - 設(shè)置掩碼為
1FFFFFF0
00001560 到 00001567 的幀- 設(shè)置過濾碼為
00001560 - 設(shè)置掩碼為
1FFFFFF8
- 設(shè)置過濾碼為
0 - 設(shè)置掩碼為
0
如何配置？
上面介紹了幀類型，那么如何基于MCU進行配置呢？這里以STM32F407為硬件平臺，使用HAL庫進行初始化，看一下都對哪些地方進行了配置。一般來說，我們需要配置CAN的波特率，消息過濾器等等，下面是簡單的配置的代碼；CAN_HandleTypeDef?hCAN;
void?MX_CAN_Init(void)
{
????CAN_FilterTypeDef???sFilterConfig;
????/*CAN單元初始化*/
????hCAN.Instance?=?CAN1;??????/*?CAN外設(shè)?*/
?
????/*?BTR-BRP?波特率分頻器??定義了時間單元的時間長度42/(1 6 7)/6=500Kbps?*/
????hCAN.Init.Prescaler?=?6;
????hCAN.Init.Mode?=?CAN_MODE_NORMAL;???/*?正常工作模式?*/
????hCAN.Init.SyncJumpWidth?=?CAN_SJW_1TQ;??/*?BTR-SJW?重新同步跳躍寬度?1個時間單元?*/
????hCAN.Init.TimeSeg1?=?CAN_BS1_6TQ;???/*?BTR-TS1?時間段1?占用了6個時間單元?*/
????hCAN.Init.TimeSeg2?=?CAN_BS2_7TQ;???/*?BTR-TS1?時間段2?占用了7個時間單元?*/
????hCAN.Init.TimeTriggeredMode?=?DISABLE;??/*?MCR-TTCM??關(guān)閉時間觸發(fā)通信模式使能?*/?
????hCAN.Init.AutoBusOff?=?ENABLE;????/*?MCR-ABOM??自動離線管理?*/
????hCAN.Init.AutoWakeUp?=?ENABLE;????/*?MCR-AWUM??使用自動喚醒模式?*/
????hCAN.Init.AutoRetransmission?=?DISABLE;??/*?MCR-NART??禁止報文自動重傳???DISABLE-自動重傳?*/
????/*?MCR-RFLM??接收FIFO?鎖定模式??DISABLE-溢出時新報文會覆蓋原有報文?*/
????hCAN.Init.ReceiveFifoLocked?=?DISABLE;??
????/*?MCR-TXFP??發(fā)送FIFO優(yōu)先級?DISABLE-優(yōu)先級取決于報文標(biāo)示符?*/
????hCAN.Init.TransmitFifoPriority?=?DISABLE;?
????if?(HAL_CAN_Init( 
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