【通讯】CAN总线协议

一、CAN协议

1、协议简介

CAN（Controller Area Network）是ISO国际标准化的一种实时应用的串行通信协议，在汽车电子系统中，用于各种电子系统之间的通信，现在由于CAN的高性能和可靠性被认可，已经被广泛用于工业自动化、工业设备等方面。

CAN协议经过ISO标准化后有两个标准，ISO11898标准和ISO11519-2标准。其中ISO11898是针对通信速率为125Kbps~1Mbps的高速通信标准，ISO11519-2是针对125Kbps以下的低速通信标准。

2、CAN协议特点

2.1 多主工作方式

在总线空闲时，所有单元都可以发送消息：

①最先向总线发送消息的节点获得发送权

②当两个以上单元同时开始发送消息时，根据标识符ID决定优先级，对对ID的每个位进行逐个仲裁比较，优先级高的继续发送消息，仲裁优先级低的停止发送而进行接收工作。

2.2 系统的柔性

CAN总线上节点没有地址概念，仅用标志符指示功能信息、优先级信息，因此增加节点不会对已有节点的软硬件及应用层造成影响。o

2.3 通信速度 ①在同一条CNA总线上，所有节点通信速度必须相同，如果不同通信速度的总线上节点想要实现信息交互，必须通过网关。 ②CAN通信速率较快，通信距离远。最高1Mbps（距离小于40m），最远可达10KM（速率低于5Kbps） 2.4 错误检测、错误通知、错误恢复功能 ①错误检测：所有单元都可以检测错误 ②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）

③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重新发送此消息直到成功发送为止（错误恢复）。

2.5 故障封闭

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。

2.6 多节点连接

CAN总线可同时连接多个单元总线，实际可连接的单元数受总线上时间延迟及电气负载限制；降低通信速度可增加连接单元数量。

2.7 其他性能

实时性强、传输距离较远、抗干扰能力强、成本低

二、信号传输架构

CAN的传输链路为CPU-CAN控制器-CAN收发器-节点单元

1、发送过程

CAN控制器将CPU发送的数据信号转换为逻辑电平（逻辑0显性/逻辑1隐形），CAN收发器将逻辑电平转换为差分电平发送给CAN总线上。

2、接收过程

CAN收发器将CAN_H和CAN_L线上传来的差分电平转换为逻辑电平输出到CAN控制器，CAN控制器再把该逻辑电平转换为相应的信号发送给CPU

总结：发送方通过使总线电平发生变化，将其信息传递到CAN总线上。

接收方通过监听总线电平，将总线上的消息读入自己的接收器。

三、CAN电气特性

电信号的传输在物理层面都是靠电压高低区分来实现的，CAN也是如此；CAN总线使用双绞线进行差分电压传输，使用CAN_H和CAN_L两根线上的电位差来表示CAN信号，CAN总线上的电位差分为显性电平（逻辑0）和隐形电平（逻辑1）

显性（逻辑为0）：高速CAN 1.5V＜CANH-CANL＜3V，典型2V；低速CAN 0.3V＜CANH-CANL，典型值3V；

隐性（逻辑为1）：高速CAN -0.5V＜CANH-CANL＜0.05V，典型值0V；低速CAN -0.3V＜CANH-CANL，典型值-1.5V；

注：CAN总线采用线与规则进行冲突仲裁，即当多个CAN信号同时发送时，只要有0则总线就是0，因此0为显性。

四、CAN电路设计

1、CAN控制器

CAN控制器分为两类：独立的控制器芯片、CAN控制器集成在微控制器中

1.1 控制器原理

①接口逻辑管理IML

接口逻辑管理用于连接CPU，解释来自主控的命令，控制CAN控制器寄存器的寻址，并向主控提供中断信息和状态信息。

②CAN核心模块

收到一个报文时，CAN核心模块根据CAN规范将串行位流转换成用于接收的并行数据，发送报文时相反。

③发送缓冲器TXB

发送缓冲器用于存储一个完整报文，当CAN控制器发送初始化时，接口管理逻辑会使CAN核心模块从发送缓冲器读CAN报文。

④验收滤波器ACF

验收滤波器可以根据用户的编程设置，把报文头中的标识符和验收滤波器寄存器中的内容进行比较，以判断是否接收报文，如果接收，报文存入接收FIFO。

⑤接收FIFO

接收FIFO是验收滤波器和主控制器之间的接口，用于存储从CAN总线上接收并通过了过滤的报文，使CPU处理一个报文同时可以接收其他报文。

⑥位流处理器BSP

位流处理器是在发送缓冲器、RXFIFO和CAN总线之间控制数据流的程序装置，还在CAN总线上执行错误检测、仲裁、填充和错误处理。

⑦错误管理逻辑EML

按照CAN协议完成错误界定，接收BSP的出错报告，通知BSPhereIML进行错误统计。

⑧位时序逻辑BTL

监视CAN总线和处理与总线有关的位时序，用于同步CAN总线位流。

1.2 控制器外围电路设计

引脚说明：

AD7-AD0：数据总线，与CPU连接

ALE/AS:ALE输入信号（Intel模式/LSB），AS输入信号（Motorola模式/MSB）

/CS :片选输入，一般低电平有效

（/RD）/E：MCU的/RD信号（Intel模式）,或E使能信号（Motorola模式）

/WR：MCU的/WR信号（Intel模式）,或RD/信号（Motorola模式）

CLKOUT:控制器产生给MCU的时钟输出，来源于控制器内部振荡器，不用可禁止该引脚

XTAL1：输入到振荡器放大电路，外部晶振信号输入

XTAL2：振荡放大电路输出

MODE：模式选择（Intel/Motorola）

TX0：与CAN收发器的TX连接

TX1：悬空

TX0和TX1是控制器内部

RX0：与CAN收发器的RX连接

RX1：接VCC

2、CAN收发器

CAN收发器是CAN控制器和物理总线之间的接口，将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平。CAN收发器也分为独立型与组合型两大类，由于独立型应用更灵活，因此最广泛使用，后者通常与CAN控制器组合在一起，形成具有CAN收发功能的CAN组件。

2.1 CAN收发器原理

2.2 CAN收发器外围电路设计

引脚说明：

TX：接CAN控制器/MCU的TX

RX：接CAN控制器/MCU的RX

VIO：接与TXD信号相同的参考电压，一般3,3V

S：Silent 模式选择，高有效，一般接地；监听模式使用，不向总线发送数据

3、终端电阻

CAN一般会在首尾增加120Ω匹配电阻，主要是有以下几个作用：

①为改善由于阻抗突变导致的信号质量恶化问题，提高信号质量；

②可以使得总线上的寄生电容得到快速泄放，快速恢复到隐性状态；

③当总线没有负载时，隐性时差分电阻阻值大，外部干扰容易使得总线进入显性，因此使用终端电阻可以吸收干扰，提升抗干扰能力；

注意仅在首尾两个节点添加，封装不小于0805；

五、CAN数据结构

1、数据帧

用于发送单元向接收单元传送数据的帧，根据仲裁段ID码长度不同，分为标准帧（CAN2.0A）和扩展帧（CAN2.0B）

数据帧由7个段构成，分别是：

①帧起始：表示数据帧的开始段，由一个显性位组成。

②仲裁段：用于仲裁该帧优先级的段，有两种格式：

RTR：远程发送请求位，数据帧中为显性，远程帧中为隐性

SRR：替代远程请求位（在扩展格式中在RTR的位置），隐性位。

IDE：标识符扩展位，标准帧显性，扩展帧隐性，表示该帧为标准帧还是扩展帧

③控制段：表示数据的字节数及保留位的段，共6位

R1、R0：保留位

DLC：数据长度代码

④数据段：数据的内容，可发送0~8个字节的数据

⑤CRC段：检查帧传输错误的段，由15位CRC值和1位CRC界定符（隐性位）组成

⑥ACK段：2位，由应答位和应答界定位组成。在应答域中，发送器发出两个隐性位，当接收器正确的接收到有效的报文，该接收器就会在应答位期间，用一显性位填充应答位作为回应，而应答界定位一直保持为隐性。当节点接收的帧起始到CRC段内容没有错误，会在ACK段发送一个显性电平。

⑦帧结束：表示数据帧结束的段，由7个隐性位组成。

2、远程帧

用于接收单元向具有相同ID的发送单元请求数据的帧

远程帧由帧起始、仲裁段、控制段、CRC段、ACK段和帧结束6个部分组成

与数据帧的区别：

①RTR位，数据帧为显性，远程帧为隐性

②远程帧没有数据域

③远程帧发送特定的ID，然后对应ID的节点收到远程帧后自动返回一个数据帧。

3、错误帧

错误帧由错误标志和错误界定符组成

①出错标志有两种：主动（积极）错误和被动错误，主动错误由6个连续的显性位组成，被动错误由6个隐性位组成。

错误积极节点如果检测到一个错误条件，会发送一个积极错误标志进行标识，这个错误标志违反了正常的位填充规则，会引起其他节点检测到新的错误节点并各自开始发送错误标志，因此检测到的显性序列是各个节点发出的不同错误标志的叠加。

消极错误节点如果检测到一个错误条件，会试图发送一个消极错误进行指示，这个消极错误节点会一直等待6个具有相同极性的连续位，当检测到6个相同极性的连续位时，消极错误标志发送即完成。

②错误界定符由8个隐性位组成

4、过载帧

用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧，由过载标志和过载界定符组成

过载标志由6个位的显性位组成

过载界定符由8个位的隐性位组成

5、帧间隔

用于将数据帧、远程帧与之前的帧分离开的帧，数据帧、远程帧可以通过插入帧间隔将与本帧与前面的任何帧分开，过载帧、错误帧不能插入帧间隔。

笔记写了这么多，不过在硬件中，到目前关注比较多的还是信号质量问题，尤其是挂了很多节点的时候；

鉴于CAN的仲裁和错误校验机制，确实比485靠谱很多，不过，对于实时性要求比较高的情况，CAN的通讯速率又不太够，所以需要选择带CAN-FD的主控；就不得不吐槽某国产MCU，有点坑。。。

来自 Roger的硬件升级之路公众号