CAN總線(xiàn)協(xié)議的基礎(chǔ)知識(shí)

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車(chē)電子產(chǎn)品著稱(chēng)的德國(guó)BOSCH公司開(kāi)發(fā)的，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11519以及ISO11898)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一。

兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差異點(diǎn)如下：

CAN總線(xiàn)協(xié)議已經(jīng)成為汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專(zhuān)為大型貨車(chē)和重工機(jī)械車(chē)輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。

近年來(lái)，它具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)及振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

我們來(lái)貼一個(gè)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)構(gòu)想圖。

1 CAN物理層

與I2C、SPI等具有時(shí)鐘信號(hào)的同步通訊方式不同，CAN通訊并不是以時(shí)鐘信號(hào)來(lái)進(jìn)行同步的，它是一種異步通訊，只有CAN_High和CAN_Low兩條信號(hào)線(xiàn)，共同構(gòu)成一組差分信號(hào)線(xiàn)，以差分信號(hào)的形式進(jìn)行通訊。我們來(lái)看一個(gè)示意圖。

1.1 閉環(huán)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

CAN物理層的形式主要有兩種，圖中的CAN通訊網(wǎng)絡(luò)是一種遵循ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的高速、短距離“閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)”，它的總線(xiàn)最大長(zhǎng)度為40m，通信速度最高為1Mbps，總線(xiàn)的兩端各要求有一個(gè)“120 歐”的電阻。

1.2 開(kāi)環(huán)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

圖中的是遵循ISO11519-2標(biāo)準(zhǔn)的低速、遠(yuǎn)距離“開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)”，它的最大傳輸距離為1km，最高通訊速率為125kbps，兩根總線(xiàn)是獨(dú)立的、不形成閉環(huán)，要求每根總線(xiàn)上各串聯(lián)有一個(gè)“2.2千歐”的電阻。

1.3 通訊節(jié)點(diǎn)

從CAN通訊網(wǎng)絡(luò)圖可了解到，CAN總線(xiàn)上可以?huà)燧d多個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)經(jīng)過(guò)總線(xiàn)傳輸，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通訊。

由于CAN通訊協(xié)議不對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行地址編碼，而是對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行編碼的，所以網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)理論上不受限制，只要總線(xiàn)的負(fù)載足夠即可，可以通過(guò)中繼器增強(qiáng)負(fù)載。

CAN通訊節(jié)點(diǎn)由一個(gè)CAN控制器及CAN收發(fā)器組成，控制器與收發(fā)器之間通過(guò)CAN_Tx及CAN_Rx信號(hào)線(xiàn)相連，收發(fā)器與CAN總線(xiàn)之間使用CAN_High及CAN_Low信號(hào)線(xiàn)相連。

其中CAN_Tx及CAN_Rx使用普通的類(lèi)似TTL邏輯信號(hào)，而CAN_High及CAN_Low是一對(duì)差分信號(hào)線(xiàn)，使用比較特別的差分信號(hào)，下一小節(jié)再詳細(xì)說(shuō)明。

當(dāng)CAN節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，控制器把要發(fā)送的二進(jìn)制編碼通過(guò)CAN_Tx線(xiàn)發(fā)送到收發(fā)器，然后由收發(fā)器把這個(gè)普通的邏輯電平信號(hào)轉(zhuǎn)化成差分信號(hào)，通過(guò)差分線(xiàn)CAN_High和CAN_Low線(xiàn)輸出到CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

而通過(guò)收發(fā)器接收總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)到控制器時(shí)，則是相反的過(guò)程，收發(fā)器把總線(xiàn)上收到的CAN_High及CAN_Low信號(hào)轉(zhuǎn)化成普通的邏輯電平信號(hào)，通過(guò)CAN_Rx輸出到控制器中。

例如，STM32的CAN片上外設(shè)就是通訊節(jié)點(diǎn)中的控制器，為了構(gòu)成完整的節(jié)點(diǎn)，還要給它外接一個(gè)收發(fā)器，在我們實(shí)驗(yàn)板中使用型號(hào)為T(mén)JA1050的芯片作為CAN收發(fā)器。

CAN控制器與CAN收發(fā)器的關(guān)系如同TTL串口與MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片的關(guān)系，MAX3232芯片把TTL電平的串口信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS-232電平的串口信號(hào)，CAN收發(fā)器的作用則是把CAN控制器的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào) (或者相反) 。

目前有以下CAN電平轉(zhuǎn)換芯片(不全)

我們來(lái)用TJA1050來(lái)看下原理圖：

1.4 差分信號(hào)

差分信號(hào)又稱(chēng)差模信號(hào)，與傳統(tǒng)使用單根信號(hào)線(xiàn)電壓表示邏輯的方式有區(qū)別，使用差分信號(hào)傳輸時(shí)，需要兩根信號(hào)線(xiàn)，這兩個(gè)信號(hào)線(xiàn)的振幅相等，相位相反，通過(guò)兩根信號(hào)線(xiàn)的電壓差值來(lái)表示邏輯 0 和邏輯 1。

見(jiàn)下圖，它使用了V+與V-信號(hào)的差值表達(dá)出了圖下方的信號(hào)。

相對(duì)于單信號(hào)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞剑褂貌罘中盘?hào)傳輸具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)抗干擾能力強(qiáng)，當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí)，幾乎會(huì)同時(shí)耦合到兩條信號(hào)線(xiàn)上，而接收端只關(guān)心兩個(gè)信號(hào)的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

舉一個(gè)例子，正常的單線(xiàn)假設(shè)邏輯1是3.3V，邏輯0假設(shè)是0V，但是如果有噪聲，把3.3V弄成了0V(極端)，把0V弄成了-3.3V，此時(shí)就邏輯錯(cuò)誤，但是有Can高/Can低一般都作用于兩根線(xiàn)，所以?xún)蓚€(gè)雖然都有噪聲影響，但是差值還是不變的

(2)能有效抑制它對(duì)外部的電磁干擾，同樣的道理，由于兩根信號(hào)的極性相反，他們對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

舉一個(gè)例子，假設(shè)一根是10V，一根是-10V，單跟都會(huì)對(duì)外部造成電磁干擾，但是CAN可以把線(xiàn)擰在一起，跟編麻花一樣，可以互相抵消電子干擾

(3)時(shí)序定位精確，由于差分信號(hào)的開(kāi)關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。

由于差分信號(hào)線(xiàn)具有這些優(yōu)點(diǎn)，所以在USB協(xié)議、485協(xié)議、以太網(wǎng)協(xié)議及CAN協(xié)議的物理層中，都使用了差分信號(hào)傳輸。

1.5 CAN協(xié)議中的差分信號(hào)

CAN協(xié)議中對(duì)它使用的CAN_High及CAN_Low表示的差分信號(hào)做了規(guī)定，見(jiàn)表及圖。

以高速CAN協(xié)議為例，當(dāng)表示邏輯1時(shí) (隱性電平) ，CAN_High和CAN_Low 線(xiàn)上的電壓均為2.5v，即它們的電壓差 VH-VL=0V;而表示邏輯0時(shí) (顯性電平) ，CAN_High的電平為3.5V，CAN_Low線(xiàn)的電平為1.5V，即它們的電壓差為 VH-VL=2V。

例如，當(dāng)CAN收發(fā)器從CAN_Tx線(xiàn)接收到來(lái)自CAN控制器的低電平信號(hào)時(shí) (邏輯0)，它會(huì)使CAN_High輸出3.5V，同時(shí)CAN_Low輸出1.5V，從而輸出顯性電平表示邏輯0 。

在CAN總線(xiàn)中，必須使它處于隱性電平 (邏輯1) 或顯性電平 (邏輯0) 中的其中一個(gè)狀態(tài)。假如有兩個(gè)CAN通訊節(jié)點(diǎn)，在同一時(shí)間，一個(gè)輸出隱性電平，另一個(gè)輸出顯性電平，類(lèi)似I2C總線(xiàn)的“線(xiàn)與”特性將使它處于顯性電平狀態(tài)，顯性電平的名字就是這樣來(lái)的，即可以認(rèn)為顯性具有優(yōu)先的意味。

由于 CAN 總線(xiàn)協(xié)議的物理層只有1對(duì)差分線(xiàn)，在一個(gè)時(shí)刻只能表示一個(gè)信號(hào)，所以對(duì)通訊節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，CAN通訊是半雙工的，收發(fā)數(shù)據(jù)需要分時(shí)進(jìn)行。在CAN的通訊網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)楣灿每偩€(xiàn)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中同一時(shí)刻只能有一個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，其余的節(jié)點(diǎn)在該時(shí)刻都只能接收。

2 CAN協(xié)議層

2.1 CAN的波特率及位同步

由于CAN屬于異步通訊，沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)，連接在同一個(gè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)像串口異步通訊那樣，節(jié)點(diǎn)間使用約定好的波特率進(jìn)行通訊，特別地，CAN還會(huì)使用“位同步”的方式來(lái)抗干擾、吸收誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)總線(xiàn)電平信號(hào)進(jìn)行正確的采樣，確保通訊正常。

2.2 位時(shí)序分解

為了實(shí)現(xiàn)位同步，CAN協(xié)議把每一個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)序分解成如圖 所示的SS段、PTS段、PBS1段、PBS2段，這四段的長(zhǎng)度加起來(lái)即為一個(gè)CAN數(shù)據(jù)位的長(zhǎng)度。分解后最小的時(shí)間單位是Tq，而一個(gè)完整的位由8~25個(gè)Tq組成。

為方便表示，圖中的高低電平直接代表信號(hào)邏輯0或邏輯1(不是差分信號(hào))。

該圖中表示的CAN通訊信號(hào)每一個(gè)數(shù)據(jù)位的長(zhǎng)度為19Tq，其中SS段占1Tq，PTS段占6Tq， PBS1段占5Tq， PBS2段占7Tq。

信號(hào)的采樣點(diǎn)位于PBS1段與PBS2段之間，通過(guò)控制各段的長(zhǎng)度，可以對(duì)采樣點(diǎn)的位置進(jìn)行偏移，以便準(zhǔn)確地采樣。

各段的作用如介紹下：

SS段 (SYNC SEG)

SS譯為同步段，若通訊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到總線(xiàn)上信號(hào)的跳變沿被包含在SS段的范圍之內(nèi)，則表示節(jié)點(diǎn)與總線(xiàn)的時(shí)序是同步的，當(dāng)節(jié)點(diǎn)與總線(xiàn)同步時(shí)，采樣點(diǎn)采集到的總線(xiàn)電平即可被確定為該位的電平。SS段的大小固定為1Tq。

PTS段 (PROP SEG)

PTS譯為傳播時(shí)間段，這個(gè)時(shí)間段是用于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的物理延時(shí)時(shí)間。是總線(xiàn)上輸入比較器延時(shí)和輸出驅(qū)動(dòng)器延時(shí)總和的兩倍。PTS段的大小可以為1~8Tq。

PBS1段 (PHASE SEG1)

PBS1譯為相位緩沖段，主要用來(lái)補(bǔ)償邊沿階段的誤差，它的時(shí)間長(zhǎng)度在重新同步的時(shí)候可以加長(zhǎng)。PBS1段的初始大小可以為1~8Tq。

PBS2段 (PHASE SEG2)

PBS2這是另一個(gè)相位緩沖段，也是用來(lái)補(bǔ)償邊沿階段誤差的，它的時(shí)間長(zhǎng)度在重新同步時(shí)可以縮短。PBS2段的初始大小可以為2~8Tq。

2.3 通訊的波特率

總線(xiàn)上的各個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)只要約定好1個(gè)Tq的時(shí)間長(zhǎng)度以及每一個(gè)數(shù)據(jù)位占據(jù)多少個(gè)Tq，就可以確定CAN通訊的波特率。

例如，假設(shè)上圖中的1Tq=1us，而每個(gè)數(shù)據(jù)位由19個(gè)Tq組成，則傳輸一位數(shù)據(jù)需要時(shí)間T1bit=19us，從而每秒可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位個(gè)數(shù)為：1x10次方/19 = 52631.6 (bps)

這個(gè)每秒可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的個(gè)數(shù)即為通訊中的波特率。

2.4 同步過(guò)程分析

波特率只是約定了每個(gè)數(shù)據(jù)位的長(zhǎng)度，數(shù)據(jù)同步還涉及到相位的細(xì)節(jié)，這個(gè)時(shí)候就需要用到數(shù)據(jù)位內(nèi)的SS、PTS、PBS1及PBS2段了。根據(jù)對(duì)段的應(yīng)用方式差異， CAN的數(shù)據(jù)同步分為硬同步和重新同步。其中硬同步只是當(dāng)存在“幀起始信號(hào)”時(shí)起作用，無(wú)法確保后續(xù)一連串的位時(shí)序都是同步的，而重新同步方式可解決該問(wèn)題，這兩種方式具體介紹如下：

① 硬同步

若某個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)通過(guò)總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)發(fā)送一個(gè)表示通訊起始的信號(hào) (即下一小節(jié)介紹的幀起始信號(hào))，該信號(hào)是一個(gè)由高變低的下降沿。而掛載到CAN總線(xiàn)上的通訊節(jié)點(diǎn)在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)時(shí)刻檢測(cè)總線(xiàn)上的信號(hào)。見(jiàn)圖 ，可以看到當(dāng)總線(xiàn)出現(xiàn)幀起始信號(hào)時(shí)，某節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到總線(xiàn)的幀起始信號(hào)不在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部時(shí)序的SS段范圍，所以判斷它自己的內(nèi)部時(shí)序與總線(xiàn)不同步，因而這個(gè)狀態(tài)的采樣點(diǎn)采集得的數(shù)據(jù)是不正確的。所以節(jié)點(diǎn)以硬同步的方式調(diào)整，把自己的位時(shí)序中的SS段平移至總線(xiàn)出現(xiàn)下降沿的部分，獲得同步，同步后采樣點(diǎn)就可以采集得正確數(shù)據(jù)了。

② 重新同步

前面的硬同步只是當(dāng)存在幀起始信號(hào)時(shí)才起作用，如果在一幀很長(zhǎng)的數(shù)據(jù)內(nèi)，節(jié)點(diǎn)信號(hào)與總線(xiàn)信號(hào)相位有偏移時(shí)，這種同步方式就無(wú)能為力了。因而需要引入重新同步方式，它利用普通數(shù)據(jù)位的高至低電平的跳變沿來(lái)同步 (幀起始信號(hào)是特殊的跳變沿)。

重新同步與硬同步方式相似的地方是它們都使用SS段來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，同步的目的都是使節(jié)點(diǎn)內(nèi)的SS段把跳變沿包含起來(lái)。

重新同步的方式分為超前和滯后兩種情況，以總線(xiàn)跳變沿與SS段的相對(duì)位置進(jìn)行區(qū)分。

第一種相位超前的情況如圖 ，節(jié)點(diǎn)從總線(xiàn)的邊沿跳變中，檢測(cè)到它內(nèi)部的時(shí)序比總線(xiàn)的時(shí)序相對(duì)超前2Tq，這時(shí)控制器在下一個(gè)位時(shí)序中的PBS1段增加2Tq的時(shí)間長(zhǎng)度，使得節(jié)點(diǎn)與總線(xiàn)時(shí)序重新同步。

第二種相位滯后的情況如圖 ，節(jié)點(diǎn)從總線(xiàn)的邊沿跳變中，檢測(cè)到它的時(shí)序比總線(xiàn)的時(shí)序相對(duì)滯后2Tq，這時(shí)控制器在前一個(gè)位時(shí)序中的PBS2段減少2Tq的時(shí)間長(zhǎng)度，獲得同步。

在重新同步的時(shí)候，PBS1和PBS2中增加或減少的這段時(shí)間長(zhǎng)度被定義為“重新同步補(bǔ)償寬度SJW(reSynchronization Jump Width)”。

一般來(lái)說(shuō)CAN控制器會(huì)限定SJW的最大值，如限定了最大SJW=3Tq時(shí)，單次同步調(diào)整的時(shí)候不能增加或減少超過(guò)3Tq的時(shí)間長(zhǎng)度，若有需要，控制器會(huì)通過(guò)多次小幅度調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。當(dāng)控制器設(shè)置的SJW極限值較大時(shí)，可以吸收的誤差加大，但通訊的速度會(huì)下降

2.5 CAN的報(bào)文種類(lèi)及結(jié)構(gòu)

在SPI通訊中，片選、時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)輸入及數(shù)據(jù)輸出這4個(gè)信號(hào)都有單獨(dú)的信號(hào)線(xiàn)，I2C協(xié)議包含有時(shí)鐘信號(hào)及數(shù)據(jù)信號(hào)2條信號(hào)線(xiàn)，異步串口包含接收與發(fā)送2條信號(hào)線(xiàn)，這些協(xié)議包含的信號(hào)都比CAN協(xié)議要豐富，它們能輕易進(jìn)行數(shù)據(jù)同步或區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方向。

而CAN使用的是兩條差分信號(hào)線(xiàn)，只能表達(dá)一個(gè)信號(hào)，簡(jiǎn)潔的物理層決定了CAN必然要配上一套更復(fù)雜的協(xié)議，如何用一個(gè)信號(hào)通道實(shí)現(xiàn)同樣、甚至更強(qiáng)大的功能呢?

CAN協(xié)議給出的解決方案是對(duì)數(shù)據(jù)、操作命令 (如讀/寫(xiě)) 以及同步信號(hào)進(jìn)行打包，打包后的這些內(nèi)容稱(chēng)為報(bào)文。

2.5.1 報(bào)文的種類(lèi)

在原始數(shù)據(jù)段的前面加上傳輸起始標(biāo)簽、片選 (識(shí)別) 標(biāo)簽和控制標(biāo)簽，在數(shù)據(jù)的尾段加上CRC校驗(yàn)標(biāo)簽、應(yīng)答標(biāo)簽和傳輸結(jié)束標(biāo)簽，把這些內(nèi)容按特定的格式打包好，就可以用一個(gè)通道表達(dá)各種信號(hào)了，各種各樣的標(biāo)簽就如同SPI中各種通道上的信號(hào)，起到了協(xié)同傳輸?shù)淖饔?。?dāng)整個(gè)數(shù)據(jù)包被傳輸?shù)狡渌O(shè)備時(shí)，只要這些設(shè)備按格式去解讀，就能還原出原始數(shù)據(jù)，這樣的報(bào)文就被稱(chēng)為CAN的“數(shù)據(jù)幀”。

為了更有效地控制通訊，CAN一共規(guī)定了 5 種類(lèi)型的幀，它們的類(lèi)型及用途說(shuō)明如下表。

2.5.2 數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)幀是在CAN通訊中最主要、最復(fù)雜的報(bào)文，我們來(lái)了解它的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)下圖：

數(shù)據(jù)幀以一個(gè)顯性位 (邏輯0) 開(kāi)始， 7個(gè)連續(xù)的隱性位 (邏輯1) 結(jié)束，在它們之間，分別有仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、CRC段和ACK段。

3 CAN控制內(nèi)核

框圖中標(biāo)號(hào)處的CAN控制內(nèi)核包含了各種控制寄存器及狀態(tài)寄存器，我們主要講解其中的主控制寄存器CAN_MCR及位時(shí)序寄存器CAN_BTR。

3.1 主控制寄存器CAN_MCR

主控制寄存器CAN_MCR負(fù)責(zé)管理CAN的工作模式，它使用以下寄存器位實(shí)現(xiàn)控制。

3.2 位時(shí)序寄存器 (CAN_BTR) 及波特率

代碼清單CAN初始化結(jié)構(gòu)

CAN發(fā)送及接收結(jié)構(gòu)體

CAN篩選器結(jié)構(gòu)體

審核編輯：湯梓紅

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