can通信與uart通信的難度區(qū)別

最近看到有網(wǎng)友在技術(shù)群里討論關(guān)于“CAN比UART難不難”的話題，有人說CAN很簡(jiǎn)單，但也有人說CAN很難。

其實(shí)，難不難主要看你站在什么角度，有的網(wǎng)友可能基礎(chǔ)較好，又學(xué)習(xí)過CAN，可能就覺得簡(jiǎn)單。但是，對(duì)于基礎(chǔ)較差的初學(xué)者來說，CAN確實(shí)相對(duì)UART難的多。

本文就針對(duì)初學(xué)者，分享一下CAN總線的一些基礎(chǔ)，相對(duì)UART內(nèi)容確實(shí)要多很多。至于CAN相比UART難不難，你看了之后自己就有答案了。

一、CAN總線波特率

CAN總線屬于異步通信，因此就有通信波特率，而這個(gè)波特率發(fā)生器就位于CAN控制器內(nèi)部。我們不需要了解它是如何產(chǎn)生的，但需要了解它的含義。這章節(jié)針對(duì)初學(xué)者講述以下兩點(diǎn)內(nèi)容。

1、異步通信 ? 在串行通信中，主要分異步通信和同步通信。 ? 同步通信：通信設(shè)備之間通過同步信號(hào)（CLK時(shí)鐘）來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ沤型酵ㄐ?。?a href="http://www.ttokpm.com/tags/i2c/" target="_blank">I2C、SPI這類通信中都具有一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，其實(shí)在STM32中USART也具有同步功能，只是我們大多數(shù)人都只用了它的異步功能。 ? 異步通信：簡(jiǎn)單來說，就是通信設(shè)備之間通過約定一樣的時(shí)間來收發(fā)數(shù)據(jù)。而這個(gè)時(shí)間就會(huì)決定本節(jié)說的波特率。 ? 2、波特率 輕松看懂波特圖 如何用示波器測(cè)量串口波特率 ? 很多工程師一直都沒徹底搞明白什么是波特率，我這里還是結(jié)合UART波特率來簡(jiǎn)述一下其含義。 ? 在電子通信領(lǐng)域，波特（Baud）即調(diào)制速率，指的是有效數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制載波的速率，即單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)變化的次數(shù)。它是對(duì)符號(hào)傳輸速率的一種度量，1波特即指每秒傳輸1個(gè)符號(hào)。 ? UART每秒鐘傳送240個(gè)字符，而每個(gè)字符格式包含10位（1個(gè)起始位，1個(gè)停止位，8個(gè)數(shù)據(jù)位），這時(shí)的波特率為240Bd，比特率為10位*240個(gè)/秒=2400bps。 ?

從上面的描述可以總結(jié)：

比特率：即單位時(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制位數(shù)

波特率：即單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)姆?hào)個(gè)數(shù)

只有在每個(gè)符號(hào)只代表一個(gè)比特信息的情況下，波特率與比特率才在數(shù)值上相等，但是它們的意義并不相同。 ?

二、位時(shí)序

上面講述了波特率，而決定波特率大小的就是本節(jié)說的位時(shí)序。在CAN標(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)位可分為4段：

同步段（SS）

傳播時(shí)間段（PTS）

相位緩沖段1（PBS1）

相位緩沖段2（PBS2）

這些段又由可稱為 Time Quantum（簡(jiǎn)稱Tq）的最小時(shí)間單位構(gòu)成。 ? 1位分為4個(gè)段，每個(gè)段又由若干個(gè)Tq構(gòu)成，這稱為位時(shí)序。 ? 而在STM32參考手冊(cè)中，將位時(shí)序分為三段，但它將它傳播段和位段1合并在一起了，如下圖所示： ?

? 1位由多少個(gè)Tq構(gòu)成、每個(gè)段又由多少個(gè)Tq構(gòu)成等，可任意設(shè)定位時(shí)序。通過設(shè)定位時(shí)序，決定傳輸?shù)牟ㄌ芈剩??

? 這幾個(gè)參數(shù)會(huì)在以后編程中進(jìn)行配置，從而決定通信的波特率。 ? 關(guān)于同步，還有硬件同步、再同步等操作。但初學(xué)者可以不必過多理解，掌握上面基礎(chǔ)內(nèi)容就行了。更多關(guān)于位時(shí)序的內(nèi)容可以參看 ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)。 ?

三、幀類型及格式說明

CAN總線是通過以下5種類型的幀進(jìn)行通信：

數(shù)據(jù)幀：用于發(fā)送單元向接收單元傳送數(shù)據(jù)的幀

遙控幀：用于接收單元向具有相同 ID 的發(fā)送單元請(qǐng)求數(shù)據(jù)的幀

錯(cuò)誤幀：用于當(dāng)檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)向其它單元通知錯(cuò)誤的幀

過載幀：用于接收單元通知其尚未做好接收準(zhǔn)備的幀

幀間隔：用于將數(shù)據(jù)幀及遙控幀與前面的幀分離開來的幀

數(shù)據(jù)幀和遙控幀有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式兩種格式，標(biāo)準(zhǔn)格式有11個(gè)位的標(biāo)識(shí)符ID，擴(kuò)展格式有29個(gè)位的ID。 ? 1、 數(shù)據(jù)幀

? 如上圖所示，數(shù)據(jù)幀由7個(gè)段構(gòu)成：

幀起始：表示數(shù)據(jù)幀開始的段

仲裁段：表示該幀優(yōu)先級(jí)的段

控制段：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)及保留位的段

數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)的內(nèi)容，可發(fā)送 0～8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)

CRC段：檢查幀的傳輸錯(cuò)誤的段

ACK段：表示確認(rèn)正常接收的段

幀結(jié)束：表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束的段

理解數(shù)據(jù)幀的含義，請(qǐng)從認(rèn)真理解它的定義：用于發(fā)送單元向接收單元傳送數(shù)據(jù)的幀。 ? 一般的CAN總線通信，總線上通信絕大部分時(shí)候都是數(shù)據(jù)幀。像在CANOpen協(xié)議中，用的最多的PDO過程數(shù)據(jù)對(duì)象就是通過數(shù)據(jù)幀進(jìn)行的通信。 ? 初學(xué)者可以先理解數(shù)據(jù)幀，然后其他就容易理解了。下面，我們?cè)賮碇v述一下數(shù)據(jù)幀7段的詳情。 ? 幀起始：標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展格式相同。表示幀開始的段，1個(gè)位的顯性位，如下圖所示： ?

? 總線上的電平有顯性電平和隱性電平兩種。總線上執(zhí)行邏輯上的線“與”時(shí)，顯性電平的邏輯值為“0”，隱性電平為“1”。 ? “顯性”具有“優(yōu)先”的意味，只要有一個(gè)單元輸出顯性電平，總線上即為顯性電平。并且，“隱性”具有“包容”的意味，只有所有的單元都輸出隱性電平，總線上才為隱性電平。（顯性電平比隱性電平更強(qiáng)） ? 仲裁段：標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式在此的構(gòu)成有所不同。仲裁段表示該幀優(yōu)先級(jí)的段，擴(kuò)展格式多了18位ID，如下圖所示： ?

? RTR = 0代表數(shù)據(jù)幀，RTR = 1代表遠(yuǎn)程幀。 ? 為什么叫仲裁段，就是通過ID來判斷總線上哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)具有優(yōu)先發(fā)送的權(quán)利。ID越?。?代表顯性），優(yōu)先級(jí)越高。 ? 控制段：標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展格式的構(gòu)成有所不同?？刂贫斡?6 個(gè)位構(gòu)成，如下圖所示： ?

? 它們除了都有4位表示數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度代碼（DLC）外，標(biāo)準(zhǔn)幀有IDE（數(shù)值為0）位和r0保留位，擴(kuò)展幀有r0和r1保留位。 ? 保留位必須全部以顯性電平發(fā)送。但接收方可以接收顯性、隱性及其任意組合的電平。 ? 數(shù)據(jù)段：標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展格式相同。數(shù)據(jù)段表示傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容，從 MSB（最高位）開始輸出，可發(fā)送 0～8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，長(zhǎng)度由前面控制段決定。 ? CRC段：標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展格式相同。CRC段是檢查幀傳輸錯(cuò)誤的幀，由 15 個(gè)位的 CRC 順序和 1 個(gè)位的 CRC 界定符（用于分隔的位）構(gòu)成。 ?

? 相比485這類通信，CAN控制器就已經(jīng)把CRC校驗(yàn)做了，不需要你的程序再次去計(jì)算，從而節(jié)約了處理器資源。 ? ACK段：標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展格式相同。ACK段用來確認(rèn)是否正常接收。由 ACK 槽(ACK Slot)和 ACK 界定符 2 個(gè)位構(gòu)成。 ?

? A.?發(fā)送單元在 ACK 段發(fā)送 2 個(gè)位的隱性位。 ? B.?接收到正確消息的單元在 ACK 槽(ACK Slot)發(fā)送顯性位， 通知發(fā)送單元正常接收結(jié)束。這稱作“發(fā)送 ACK”或者“返回 ACK”。 ?

幀結(jié)束：標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展格式相同。幀結(jié)束是表示該該幀的結(jié)束的段。由 7 個(gè)位的隱性位構(gòu)成。 ?

? 2、遙控幀

和數(shù)據(jù)幀相比，遙控幀是接收單元向發(fā)送單元請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)所用的幀。所以，遙控幀沒有數(shù)據(jù)段。因此，遙控幀由如下 6 個(gè)段組成：

幀起始（SOF）：表示幀開始的段

仲裁段：表示該幀優(yōu)先級(jí)的段?？烧?qǐng)求具有相同ID的數(shù)據(jù)幀

控制段：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)及保留位的段

CRC段：檢查幀的傳輸錯(cuò)誤的段

ACK段：表示確認(rèn)正常接收的段

幀結(jié)束：表示遙控幀結(jié)束的段

這6個(gè)段和上面數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容基本一樣，這里就不一一講述了。下面，講一下遙控幀和數(shù)據(jù)幀的區(qū)別：

一是，遙控幀的 RTR 位為隱性位，沒有數(shù)據(jù)段；二是，沒有數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)幀和遙控幀可通過 RTR 位區(qū)別開來。

問題一：遙控幀沒有數(shù)據(jù)段，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼該如何表示？ ? 遙控幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼以所請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼表示。 ?

問題二：沒有數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)幀有何用途？ ? 例如，可用于各單元的定期連接確認(rèn)/應(yīng)答、或仲裁段本身帶有實(shí)質(zhì)性信息的情況下。 ?

3、錯(cuò)誤幀

? 用于在接收和發(fā)送消息時(shí)檢測(cè)出錯(cuò)誤通知錯(cuò)誤的幀。錯(cuò)誤幀由錯(cuò)誤標(biāo)志和錯(cuò)誤界定符構(gòu)成。

? (1) 錯(cuò)誤標(biāo)志 ? ?

錯(cuò)誤標(biāo)志包括主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志和被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志兩種：

主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志：6 個(gè)位的顯性位

被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志：6 個(gè)位的隱性位

(2) 錯(cuò)誤界定符 ? 錯(cuò)誤界定符由 8 個(gè)位的隱性位構(gòu)成。 ?

4、過載幀

? 過載幀是用于接收單元通知其尚未完成接收準(zhǔn)備的幀。過載幀由過載標(biāo)志和過載界定符構(gòu)成： ? 過載標(biāo)志：6 個(gè)位的顯性位，過載標(biāo)志的構(gòu)成與主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志的構(gòu)成相同。 ? ? 過載界定符：8 個(gè)位的隱性位，過載界定符的構(gòu)成與錯(cuò)誤界定符的構(gòu)成相同。 ?

5、幀間隔

? 幀間隔是用于分隔數(shù)據(jù)幀和遙控幀的幀。數(shù)據(jù)幀和遙控幀可通過插入幀間隔將本幀與前面的任何幀（數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯(cuò)誤幀、過載幀）分開。 ? 過載幀和錯(cuò)誤幀前不能插入幀間隔。 ? (1) 間隔 ? 3 個(gè)位的隱性位。 ? (2) 總線空閑 ? 隱性電平，無長(zhǎng)度限制（0 亦可）；本狀態(tài)下，可視為總線空閑，要發(fā)送的單元可開始訪問總線。 ?

(3) 延遲傳送（發(fā)送暫時(shí)停止）

8 個(gè)位的隱性位，只在處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元?jiǎng)偘l(fā)送一個(gè)消息后的幀間隔中包含的段。

編輯：黃飛

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