CAN總線協(xié)議的基礎(chǔ)知識

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)的簡稱，它是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11519以及ISO11898)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。

兩個標(biāo)準(zhǔn)的差異點如下：

CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設(shè)計的J1939協(xié)議。

近年來，它具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強及振動大的工業(yè)環(huán)境。

我們來貼一個車載網(wǎng)絡(luò)構(gòu)想圖。

1 CAN物理層

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

1.1 閉環(huán)總線網(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)”，它的總線最大長度為40m，通信速度最高為1Mbps，總線的兩端各要求有一個“120 歐”的電阻。

1.2 開環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)

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

1.3 通訊節(jié)點

從CAN通訊網(wǎng)絡(luò)圖可了解到，CAN總線上可以掛載多個通訊節(jié)點，節(jié)點之間的信號經(jīng)過總線傳輸，實現(xiàn)節(jié)點間通訊。

由于CAN通訊協(xié)議不對節(jié)點進(jìn)行地址編碼，而是對數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行編碼的，所以網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)理論上不受限制，只要總線的負(fù)載足夠即可，可以通過中繼器增強負(fù)載。

CAN通訊節(jié)點由一個CAN控制器及CAN收發(fā)器組成，控制器與收發(fā)器之間通過CAN_Tx及CAN_Rx信號線相連，收發(fā)器與CAN總線之間使用CAN_High及CAN_Low信號線相連。

其中CAN_Tx及CAN_Rx使用普通的類似TTL邏輯信號，而CAN_High及CAN_Low是一對差分信號線，使用比較特別的差分信號，下一小節(jié)再詳細(xì)說明。

當(dāng)CAN節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，控制器把要發(fā)送的二進(jìn)制編碼通過CAN_Tx線發(fā)送到收發(fā)器，然后由收發(fā)器把這個普通的邏輯電平信號轉(zhuǎn)化成差分信號，通過差分線CAN_High和CAN_Low線輸出到CAN總線網(wǎng)絡(luò)。

而通過收發(fā)器接收總線上的數(shù)據(jù)到控制器時，則是相反的過程，收發(fā)器把總線上收到的CAN_High及CAN_Low信號轉(zhuǎn)化成普通的邏輯電平信號，通過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)點中的控制器，為了構(gòu)成完整的節(jié)點，還要給它外接一個收發(fā)器，在我們實驗板中使用型號為TJA1050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電平的串口信號轉(zhuǎn)換成RS-232電平的串口信號，CAN收發(fā)器的作用則是把CAN控制器的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號 (或者相反) 。

目前有以下CAN電平轉(zhuǎn)換芯片(不全)

我們來用TJA1050來看下原理圖：

1.4 差分信號

差分信號又稱差模信號，與傳統(tǒng)使用單根信號線電壓表示邏輯的方式有區(qū)別，使用差分信號傳輸時，需要兩根信號線，這兩個信號線的振幅相等，相位相反，通過兩根信號線的電壓差值來表示邏輯 0 和邏輯 1。

見下圖，它使用了V+與V-信號的差值表達(dá)出了圖下方的信號。

相對于單信號線傳輸?shù)姆绞?，使用差分信號傳輸具有如下?yōu)點：

(1)抗干擾能力強，當(dāng)外界存在噪聲干擾時，幾乎會同時耦合到兩條信號線上，而接收端只關(guān)心兩個信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

舉一個例子，正常的單線假設(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，此時就邏輯錯誤，但是有Can高/Can低一般都作用于兩根線，所以兩個雖然都有噪聲影響，但是差值還是不變的

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

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

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

由于差分信號線具有這些優(yōu)點，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，都使用了差分信號傳輸。

1.5 CAN協(xié)議中的差分信號

CAN協(xié)議中對它使用的CAN_High及CAN_Low表示的差分信號做了規(guī)定，見表及圖。

以高速CAN協(xié)議為例，當(dāng)表示邏輯1時 (隱性電平) ，CAN_High和CAN_Low 線上的電壓均為2.5v，即它們的電壓差 VH-VL=0V;而表示邏輯0時 (顯性電平) ，CAN_High的電平為3.5V，CAN_Low線的電平為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線接收到來自CAN控制器的低電平信號時 (邏輯0)，它會使CAN_High輸出3.5V，同時CAN_Low輸出1.5V，從而輸出顯性電平表示邏輯0 。

在CAN總線中，必須使它處于隱性電平 (邏輯1) 或顯性電平 (邏輯0) 中的其中一個狀態(tài)。假如有兩個CAN通訊節(jié)點，在同一時間，一個輸出隱性電平，另一個輸出顯性電平，類似I2C總線的“線與”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的，即可以認(rèn)為顯性具有優(yōu)先的意味。

由于 CAN 總線協(xié)議的物理層只有1對差分線，在一個時刻只能表示一個信號，所以對通訊節(jié)點來說，CAN通訊是半雙工的，收發(fā)數(shù)據(jù)需要分時進(jìn)行。在CAN的通訊網(wǎng)絡(luò)中，因為共用總線，在整個網(wǎng)絡(luò)中同一時刻只能有一個通訊節(jié)點發(fā)送信號，其余的節(jié)點在該時刻都只能接收。

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，沒有時鐘信號線，連接在同一個總線網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點會像串口異步通訊那樣，節(jié)點間使用約定好的波特率進(jìn)行通訊，特別地，CAN還會使用“位同步”的方式來抗干擾、吸收誤差，實現(xiàn)對總線電平信號進(jìn)行正確的采樣，確保通訊正常。

2.2 位時序分解

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

為方便表示，圖中的高低電平直接代表信號邏輯0或邏輯1(不是差分信號)。

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

信號的采樣點位于PBS1段與PBS2段之間，通過控制各段的長度，可以對采樣點的位置進(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)點檢測到總線上信號的跳變沿被包含在SS段的范圍之內(nèi)，則表示節(jié)點與總線的時序是同步的，當(dāng)節(jié)點與總線同步時，采樣點采集到的總線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譯為傳播時間段，這個時間段是用于補償網(wǎng)絡(luò)的物理延時時間。是總線上輸入比較器延時和輸出驅(qū)動器延時總和的兩倍。PTS段的大小可以為1~8Tq。

PBS1段 (PHASE SEG1)

PBS1譯為相位緩沖段，主要用來補償邊沿階段的誤差，它的時間長度在重新同步的時候可以加長。PBS1段的初始大小可以為1~8Tq。

PBS2段 (PHASE SEG2)

PBS2這是另一個相位緩沖段，也是用來補償邊沿階段誤差的，它的時間長度在重新同步時可以縮短。PBS2段的初始大小可以為2~8Tq。

2.3 通訊的波特率

總線上的各個通訊節(jié)點只要約定好1個Tq的時間長度以及每一個數(shù)據(jù)位占據(jù)多少個Tq，就可以確定CAN通訊的波特率。

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

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

2.4 同步過程分析

波特率只是約定了每個數(shù)據(jù)位的長度，數(shù)據(jù)同步還涉及到相位的細(xì)節(jié)，這個時候就需要用到數(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”時起作用，無法確保后續(xù)一連串的位時序都是同步的，而重新同步方式可解決該問題，這兩種方式具體介紹如下：

① 硬同步

若某個CAN節(jié)點通過總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，它會發(fā)送一個表示通訊起始的信號 (即下一小節(jié)介紹的幀起始信號)，該信號是一個由高變低的下降沿。而掛載到CAN總線上的通訊節(jié)點在不發(fā)送數(shù)據(jù)時，會時刻檢測總線上的信號。見圖 ，可以看到當(dāng)總線出現(xiàn)幀起始信號時，某節(jié)點檢測到總線的幀起始信號不在節(jié)點內(nèi)部時序的SS段范圍，所以判斷它自己的內(nèi)部時序與總線不同步，因而這個狀態(tài)的采樣點采集得的數(shù)據(jù)是不正確的。所以節(jié)點以硬同步的方式調(diào)整，把自己的位時序中的SS段平移至總線出現(xiàn)下降沿的部分，獲得同步，同步后采樣點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)存在幀起始信號時才起作用，如果在一幀很長的數(shù)據(jù)內(nèi)，節(jié)點信號與總線信號相位有偏移時，這種同步方式就無能為力了。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同步 (幀起始信號是特殊的跳變沿)。

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

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

第一種相位超前的情況如圖 ，節(jié)點從總線的邊沿跳變中，檢測到它內(nèi)部的時序比總線的時序相對超前2Tq，這時控制器在下一個位時序中的PBS1段增加2Tq的時間長度，使得節(jié)點與總線時序重新同步。

第二種相位滯后的情況如圖 ，節(jié)點從總線的邊沿跳變中，檢測到它的時序比總線的時序相對滯后2Tq，這時控制器在前一個位時序中的PBS2段減少2Tq的時間長度，獲得同步。

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

一般來說CAN控制器會限定SJW的最大值，如限定了最大SJW=3Tq時，單次同步調(diào)整的時候不能增加或減少超過3Tq的時間長度，若有需要，控制器會通過多次小幅度調(diào)整來實現(xiàn)同步。當(dāng)控制器設(shè)置的SJW極限值較大時，可以吸收的誤差加大，但通訊的速度會下降

2.5 CAN的報文種類及結(jié)構(gòu)

在SPI通訊中，片選、時鐘信號、數(shù)據(jù)輸入及數(shù)據(jù)輸出這4個信號都有單獨的信號線，I2C協(xié)議包含有時鐘信號及數(shù)據(jù)信號2條信號線，異步串口包含接收與發(fā)送2條信號線，這些協(xié)議包含的信號都比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線，只能表達(dá)一個信號，簡潔的物理層決定了CAN必然要配上一套更復(fù)雜的協(xié)議，如何用一個信號通道實現(xiàn)同樣、甚至更強大的功能呢?

CAN協(xié)議給出的解決方案是對數(shù)據(jù)、操作命令 (如讀/寫) 以及同步信號進(jìn)行打包，打包后的這些內(nèi)容稱為報文。

2.5.1 報文的種類

在原始數(shù)據(jù)段的前面加上傳輸起始標(biāo)簽、片選 (識別) 標(biāo)簽和控制標(biāo)簽，在數(shù)據(jù)的尾段加上CRC校驗標(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，就可以用一個通道表達(dá)各種信號了，各種各樣的標(biāo)簽就如同SPI中各種通道上的信號，起到了協(xié)同傳輸?shù)淖饔?。?dāng)整個數(shù)據(jù)包被傳輸?shù)狡渌O(shè)備時，只要這些設(shè)備按格式去解讀，就能還原出原始數(shù)據(jù)，這樣的報文就被稱為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 種類型的幀，它們的類型及用途說明如下表。

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)雜的報文，我們來了解它的結(jié)構(gòu)，見下圖：

數(shù)據(jù)幀以一個顯性位 (邏輯0) 開始， 7個連續(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現(xiàn)控制。

3.2 位時序寄存器 (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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