CAN硬件协议详解

一、基本理论：

1、CAN的总线结构：

CAN总线网络结构有闭环和开环两种形式；无论实际的网络多复杂，都离不开这两种基本结构。

闭环结构的CAN总线网络，总线的两端各并联一个120Ω的电阻，两根差分信号线形成了回路；这种CAN总线网络由ISO 11898标准定义，是高速、短距离的CAN网络，通信速率为125kbit/s~1Mbit/s；当以1Mbit/s的速率通信时，总长度最长40米。结构示意图：

开环结构的CAN网络总线，两根信号线独立，各自串接一个2.2kΩ的电阻；这种CAN总线网络由ISO11519-2标准定义，是低速、远距离传输的CAN网络，通信速率最高为125kbit/s；在40kbit/s的通信速率下，传输最远距离可达1000米。结构示意图：

2、CAN总线的电平信号格式：

CAN的两根信号线 CANH-CANL 之间的电压差表示CAN信号的电平，与传输数据的逻辑信号1和0对应；对应于逻辑1称为隐性电平，对应于逻辑0称为显性电平。如下图所示，上半部分为实际CANH和CANL的电平，下半部分是对应的逻辑电平：

对于逻辑0和逻辑1 ，开环结构和闭环结构的CAN网络中的 CANH和CANL 的电压值不一样，隐性电平和显性电平的电压差也不一样。这两种网络结构下的CAN总线信号典型的电压如下表所示：

3、CAN网络典型电路结构：

在CAN总线网络结构中，CAN总线上的一个终端设备称为节点，在CAN网络中，没有主设备和从设备的区别。一个CAN节点设备的硬件部分，一般由 CAN控制器（外设）和CAN收发器（PHY）组成；CAN控制器负责CAN总线的逻辑控制，实现CAN传输协议；CAN收发器主要负责MCU逻辑电平与CAN总线电平之间的转换。CAN收发器需要根据 CAN总线结构来选择，闭环结构与开环结构不同。

4、CAN总线的特点：

1、实时性：CAN总线具有优越的实时性能，适用于需要及时传输数据的应用；如汽车控制系统、工业自动化等。仲裁机制和帧优先级的设计保证了低延迟和可预测性。

2、多主机系统：CAN支持多主机系统，多个节点可以同时发送和接收数据；这种分布式的网络结构使得系统更加灵活，适用于复杂的嵌入式网络。CAN总线上的节点既可以发送数据又可以接收数据，没有主从之分；但在同一个时刻，只能由一个节点发送数据，其他节点只能接收数据。

3、差分信号传输：CAN使用差分信号传输，通过两个线路（CAN_L 和 CAN_H）之间的电压差来传递信息；这种差分传输方式提供了良好的抗干扰性能，使得CAN总线使用于工业环境等有电磁干扰的场合。

4、仲裁机制：CAN总线采用非破坏性仲裁机制，通过比较消息标识符的优先级来决定哪个节点有权继续发送数据；这种机制确保了总线上数据传输的有序性，避免冲突。

5、广播通信：CAN总线采用广播通信的方式，即发送的数据帧可以被网络上所有的节点接收（但不一定处理）。

6、多种帧类型：CAN总线上的节点没有地址的概念（CANOpen则利用COD_ID来实现了节点地址概念）；CAN总线上的数据是以帧为单位传输的，帧又分为数据帧、遥控帧等多种帧类型。

7、线与逻辑（实现仲裁的原理）：CAN总线具有“线与”的特性；也就是当由两个节点同时向总线发送信号时，一个是发送显性电平（逻辑0），另一个是发送隐性电平（逻辑1），那么电路最终将呈现为显性电平。这个特性被利用实现总线的仲裁机制，也就是总线上哪个节点优先占用总线发送数据。

8、特定标识符（COB_ID）：每一个帧有一个标识符（Identifier）ID。单单对于CAN总线来讲，ID不是地址，它表示传输数据的类型，也可以用于总线的仲裁时确定优先级。

9、滤波特性：每个CAN节点都接收数据，但可以根据数据帧的ID号进行过滤。只有节点需要的数据才会被接收并进一步处理，不需要的数据会被自动丢弃。

5、CAN的位时序和波特率：

CAN网络通信为异步通信，需要规定一个通信的波特率，各个节点都以相同的波特率进行数据通信。位时序是指一个节点采集CAN总线上的一个位数据的时序；位时序同步图如下：

图中的标称位时间（NBT）指的是传输一个位的数据时间；用于确定CAN总线的波特率，这个事件被分为3段：

1、同步段（SYNC_SEG）：在这个时间段内，总线上应该发送一次位信号的跳变；如果节点在同步段检测到总线上的一个跳变沿，就表示节点与总线是同步的；同步段长度固定一个tq（时间片）。

2、位段1（BS1）：定义了采样点的位置；在BS1结束的时间点对总线采样，得到的电平就是这个位的电平。BS1的初始长度有1~16个tq，但它的长度可以在同步的时候被自动加长，以弥补各节点频率差异导致的正相位偏移。

3、位段2（BS2）：定义了发送点的位置，BS2的初始长度是1~8个tq；再同步时可以自动缩短，以补偿负相位偏移。

CAN控制器可以自动对位时序进行再同步，再同步时自动调整BS1和BS2的长度；位段加长或缩短的长度称为再同步跳转宽度；其取值一般在1~4个tq之间。

单片机中的CAN控制器时钟配置？？？tq（time quantum）被称为时间片，tq由CAN控制器的时钟频率fcan决定。在STM32F407中，两个CAN控制器在APB1总线上，CAN控制器有预分频器，APB1总线的时钟信号PCLK1经分频后得到fcan。

二、CAN总线协议结构：

1、OSI模型：

CAN协议涵盖了OSI规定的OSI基本参照模型当中的传输层、数据链路层以及物理层。OSI基本参考表如下：

CAN协议中关于 ISO/OSI基本参照模型中的传输层、数据链路层和物理层，具体的定义如下图：

其中，数据链路层分为 MAC层和LLC层；MAC子层是CAN协议的核心部分。

2、ISO标准化的CAN协议：

CAN协议经 ISO标准化后有 ISO11898标准和ISO11519-2标准两种；这两种标准对于数据链路层的定义相同，对于物理层（PHY）不同。

关于ISO11898协议，其规定的通信速率为125kbps~1Mbps。关于ISO11519-2标准，其规定的通信速率为125kbps。如下图所示：

三、CAN各种类型的帧详解：

1、帧的种类：

CAN网络通信是通过5种类型的帧进行的：数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、帧间空间；其中，数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种，标准格式有11位的标识符(GOB-ID)，扩展帧则为29位的ID；各种帧的用途如下表所示：

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2、数据帧：

数据帧由7个段构成，具体格式如下图所示：

帧起始：表示数据帧开始的段，包含1个位的显性电平（逻辑“0”）。

仲裁段：表示该帧优先级的段（大端位序），标准帧和扩展帧，此结构有所不同；如下图：

控制段：表示数据的字节数以及保留位(r0 r1)。控制段由 6个位组成，用于表示数据段的字节数；标准帧和扩展帧格式不同，如下图：

数据段：数据内容载体，可发送0~8个字节的数据。数据发送格式MSB（最高位）开始输出，标准帧和扩展帧都是一样的格式；如下图：

CRC段：检查帧传输错误的段。由 15个位的CRC和1个位的界定符构成，其中，界定符为隐形电平（逻辑“1”）；如下图所示：

ACK段：表示确认正常接收的段。ACK段有2个位，用于确认数据帧接收是否正常，由 ACK槽和ACK界定符构成；如下图所示：

帧结束：表示该帧结束的段。由7个隐性电平位构成，如下图：

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3、遥控帧：

接收单元向发送单元请求发送数据所用的帧；遥控帧由 6个段组成，是没有数据段的数据帧。具体格式如下图：

数据帧与遥控帧的对比：

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4、错误帧：(后面有详细解释)

用于在接收和发送消息时，检测出错误通知错误的帧；错误帧由错误标志和错误界定符构成，错误帧的具体如下图：

错误标志：错误标志包括主动错误和被动错误两种，主动错误为 6个显性位，被动错误为 6个隐性位。

错误界定符：错误界定符由 8个隐性位组成。

主动错误与被动错误的区别：主动报错，就是出现错误时，节点设备主动发送6个显性位（强行占用总线）的错误帧通知其他节点设备，我错了；被动错误，就是节点发生错误时，不会主动报错，而是等待别的节点发现它出错了，然后发出被动错误帧。

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5、过载帧：

过载帧用于接收单元通知其尚未完成接收准备的帧；过载帧由过载标志和过载界定符构成。过载帧可以理解为特殊的主动错误帧。如下图所示：

过载标志：由 6个位的显性位组成，与主动错误帧一样。

过载界定符：由 8个位的隐藏位组成，与错误帧的错误界定符一样。

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6、帧间隔：

帧间隔用于将数据帧和遥控帧与其他任何数据帧分隔开；过载帧和错误帧前不能插入间隔帧。间隔帧的格式如下图：

间隔：3个位的隐性位；

总线空闲：隐性电平，无长度限制。

延迟传送：8个位的隐性位，只在处于被动错误状态的节点，刚发送一个消息后，帧间隔中包含的段。

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四、CAN总线的优先级与同步：

1、优先级的决定：

在总线空闲状态，最先开始发送消息的单元获得发送权；多个单元同时发送时，各发送单元从仲裁段（COB-D）的第一位开始进行仲裁，连续输出显性电平最多的单元可继续发送；在仲裁的过程中，若前面单元1是隐性电平，单元2是显性电平，显性优先级更高，则单元2的优先级更高，获得优先权，如下图所示：

总结：

1、先发送的优先；

2、显性电平靠前的优先；

3、显性电平多的优先；

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2、数据帧和遥控帧的优先级：

具有相同ID号的数据帧和遥控帧在总线上竞争时，仲裁段的最后一位（RTR）为显性电平的数据帧具有优先权（数据帧具有优先权）；如下图所示：

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3、标准格式和扩展格式的优先级：

标准格式ID与具有相同ID的遥控帧或者扩展格式的数据帧在总线上竞争时，标准格式的RTR位为显性电平（且位置靠前）具有优先权，可以继续发送。

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五、总线错误的种类：

CAN总线的错误共有5种，且多种错误可能同时发生。如下表所示：

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1、位错误的特殊情况：

① 位错误由向总线上输出数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧的单元和输出ACK的单元、输出错误的单元来检测；

② 在仲裁段输出隐性电平，但检测到显性电平，属于仲裁失利，不属于错误；

③ 在仲裁段的填充位输出隐性电平，但检测到显性电平，将不被视为位错误，而是填充错误；

④ 发送单元在ACK段输出隐性电平，但检测到显性电平时，将认为得到应答，而非错误；

⑤ 输出被动错误标志（6个隐性位）但检测出显性电平时，将遵循错误标志的结束条件，等待检测出连续相同的6个位的值（显性或隐性），并不视为位错误；

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2、格式错误的特殊情况：

① 即使接收单元检测出 EOF（7个位的隐性电平）结束标志的第8位为显性电平，也不认为是格式错误；

② 即使接收单元检测出数据帧中的DLC（数据字节数）有9~15的值时，也不认为是格式错误；

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3、错误帧的输出规则：

检测到满足错误条件的单元输出错误标志通道错误；处于主动错误状态的节点输出的错误标志为主动错误标志；处于被动错误状态的节点输出的错误标志为被动错误标志；发送单元发送完错误帧后，将再次发送数据帧或遥控帧；错误标志输出时序如下图：

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六、位时序与同步机制（重要）：

1、位时序：

由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的数据的位个数，称为位速率；一个位可分为4个同步时间段：同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相位缓冲段1（PBS1）、相位缓冲段2（PBS2）。

这些段又可以被称为 Time Quantum（以下称为Tq）的最小时间单元构成；1个位分为4个段，每个段又由若干个Tq构成，这称为位时序。那么，1个位由多少个Tq构成，每个段又包含多少个Tq，这个是可以任意设定位时序的；通过设定位时序，多个节点单元可以同时采样，也可以任意设定数据采样点。1个位的位时序如下图：