CAN简介
• CAN 总线（ Controller Area Network Bus ）控制器局域网总线
• CAN 总线是由 BOSCH 公司开发的一种简洁易用、传输速度快、易扩展、可靠性高的串行通信总线，广泛应用于汽车、嵌入式、工业控制等领域
• CAN 总线特征：
1、两根通信线（ CAN_H 、 CAN_L ），线路少。
2、差分信号通信，抗干扰能力强。
3、高速 CAN （ ISO11898 ）： 125k~1Mbps, <40m。
4、低速 CAN （ ISO11519 ）： 10k~125kbps, <1km。
5、异步，无需时钟线，通信速率由设备各自约定。
6、半双工，可挂载多设备，多设备同时发送数据时通过仲裁判断先后顺序。
7、11 位 /29 位报文 ID ，用于区分消息功能，同时决定优先级。
8、可配置 1~8 字节的有效载荷。
9、可实现广播式和请求式两种传输方式。
10、应答、CRC校验、位填充、位同步、错误处理等特性。
CAN硬件电路
• 每个设备通过 CAN 收发器挂载在 CAN 总线网络上
• CAN 控制器引出的 TX 和 RX 与 CAN 收发器相连， CAN 收发器引出的 CAN_H 和 CAN_L 分别与总线的 CAN_H 和 CAN_L 相连
• 高速 CAN 使用闭环网络， CAN_H 和 CAN_L 两端添加 120Ω 的终端电阻
120Ω 的终端电阻作用：
1.防止回波。
2.当为总线为1(隐形)时，具有快速收紧趋势，使电压保持一致（2.5V）。
• 低速 CAN 使用开环网络， CAN_H 和 CAN_L 其中一端添加 2.2kΩ 的终端电阻
CAN电平标准
• CAN 总线采用差分信号，即两线电压差（ V CAN_H -V CAN_L ）传输数据位
• 高速 CAN 规定：
电压差为0V时表示逻辑1（隐性电平）
电压差为2V时表示逻辑0（显性电平）
• 低速 CAN 规定：
电压差为-1.5V时表示逻辑1（隐性电平）
电压差为3V时表示逻辑0（显性电平）
CAN收发器 – TJA1050（高速CAN）
数据帧
• SOF （ Start of Frame ）：帧起始，表示后面一段波形为传输的数据位
• ID （ Identify ）：标识符，区分功能，同时决定优先级
• RTR （ Remote Transmission Request ）：远程请求位，区分数据帧和遥控帧
• IDE （ Identifier Extension ）：扩展标志位，区分标准格式和扩展格式
• SRR （ Substitute Remote Request ）：替代 RTR ，协议升级时留下的无意义位
• r0/r1 （ Reserve ）：保留位，为后续协议升级留下空间
• DLC （ Data Length Code ）：数据长度，指示数据段有几个字节
• Data ：数据段的 1~8 个字节有效数据
• CRC （ Cyclic Redundancy Check ）：循环冗余校验，校验数据是否正确
• ACK （ Acknowledgement ）：应答位，判断数据有没有被接收方接收
• CRC/ACK 界定符：为应答位前后发送方和接收方释放总线留下时间
• EOF （ End of Frame ）：帧结束，表示数据位已经传输完毕
遥控帧
错误帧
•总线上所有设备都会监督总线的数据，一旦发现“位错误”或“填充错误”或“CRC错误”或“格式错误”或“应答错误” ，这些设备便会发出错误帧来破坏数据，同时终止当前的发送设备
过载帧
•当接收方收到大量数据而无法处理时，其可以发出过载帧，延缓发送方的数据发送，以平衡总线负载，避免数据丢失
帧间隔
位填充
• 位填充规则：发送方每发送 5 个相同电平后，自动追加一个相反电平的填充位，接收方检测到填充位时，会自动移除填充位，恢复原始数据
• 例如：
即将发送： 100000110 10000011110 0111111111110
实际发送： 1000001110 1000001111100 011111011111010
实际接收： 1000001110 1000001111100 011111011111010
移除填充后： 100000110 10000011110 0111111111110
• 位填充作用：
1、增加波形的定时信息，利于接收方执行“再同步”，防止波形长时间无变化，导致接收方不能精确掌握数据采样时机
2、将正常数据流与“错误帧”和“过载帧”区分开，标志“错误帧”和“过载帧”的特异性
3、保持 CAN 总线在发送正常数据流时的活跃状态，防止被误认为总线空闲
位时序
•为了灵活调整每个采样点的位置，使采样点对齐数据位中心附近，CAN总线对每一个数据位的时长进行了更细的划分，分为同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相位缓冲段1（PBS1）和相位缓冲段2（PBS2），每个段又由若干个最小时间单位（Tq）构成
硬同步
• 每个设备都有一个位时序计时周期，当某个设备（发送方）率先发送报文，其他所有设备（接收方）收到 SOF 的下降沿时，接收方会将自己的位时序计时周期拨到 SS 段的位置，与发送方的位时序计时周期保持同步
• 硬同步只在帧的第一个下降沿（ SOF 下降沿）有效
• 经过硬同步后，若发送方和接收方的时钟没有误差，则后续所有数据位的采样点必然都会对齐数据位中心附近
再同步
• 若发送方或接收方的时钟有误差，随着误差积累，数据位边沿逐渐偏离 SS 段，则此时接收方根据再同步补偿宽度值（ SJW ）通过加长 PBS1 段，或缩短 PBS2 段，以调整同步
• 再同步可以发生在第一个下降沿之后的每个数据位跳变边沿
波特率计算
• 波特率 = 1 / 一个数据位的时长 = 1 / (T SS + T PTS + T PBS1 + T PBS2 )
• 例如：
SS = 1Tq，PTS = 3Tq，PBS1 = 3Tq，PBS2 = 3Tq
Tq = 0.5us
波特率 = 1 / (0.5us + 1.5us + 1.5us + 1.5us) = 200kbps
仲裁
• CAN 总线只有一对差分信号线，同一时间只能有一个设备操作总线发送数据，若多个设备同时有发送需求，该如何分配总线资源？
• 解决问题的思路：制定资源分配规则，依次满足多个设备的发送需求，确保同一时间只有一个设备操作总线
资源分配规则1 - 先占先得
• 若当前已经有设备正在操作总线发送数据帧 / 遥控帧，则其他任何设备不能再同时发送数据帧 / 遥控帧（可以发送错误帧 / 过载帧破坏当前数据）
• 任何设备检测到连续 11 个隐性电平，即认为总线空闲，只有在总线空闲时，设备才能发送数据帧 / 遥控帧
• 一旦有设备正在发送数据帧 / 遥控帧，总线就会变为活跃状态，必然不会出现连续 11 个隐性电平，其他设备自然也不会破坏当前发送
• 若总线活跃状态其他设备有发送需求，则需要等待总线变为空闲，才能执行发送需求
资源分配规则2 - 非破坏性仲裁
• 若多个设备的发送需求同时到来或因等待而同时到来，则 CAN 总线协议会根据 ID 号（仲裁段）进行非破坏性仲裁， ID 号小的（优先级高）取到总线控制权， ID 号大的（优先级低）仲裁失利后将转入接收状态，等待下一次总线空闲时再尝试发送
• 实现非破坏性仲裁需要两个要求：
线与特性：总线上任何一个设备发送显性电平 0 时，总线就会呈现显性电平 0 状态，只有当所有设备都发送隐性电平 1 时，总线才呈现隐性电平 1 状态，即： 0 & X & X = 0 ， 1 & 1 & 1 = 1
回读机制：每个设备发出一个数据位后，都会读回总线当前的电平状态，以确认自己发出的电平是否被真实地发送出去了，根据线与特性，发出 0 读回必然是 0 ，发出 1 读回不一定是 1
•数据位从前到后依次比较，出现差异且数据位为1的设备仲裁失利
•数据帧和遥控帧ID号一样时，数据帧的优先级高于遥控帧
•标准格式11位ID号和扩展格式29位ID号的高11位一样时，标准格式的优先级高于扩展格式（SRR必须始终为1，以保证此要求）
错误类型
•错误共有5种： 位错误、填充错误、CRC错误、格式错误、应答错误
• 主动错误状态的设备正常参与通信并在检测到错误时发出主动错误帧
• 被动错误状态的设备正常参与通信但检测到错误时只能发出被动错误帧
• 总线关闭状态的设备不能参与通信
• 每个设备内部管理一个 TEC 和 REC ，根据 TEC 和 REC 的值确定自己的状态
标识符过滤器
• 每个过滤器的核心由两个 32 位寄存器组成： R1[31:0] 和 R2[31:0]
• FSCx ：位宽设置
置0，16位；置1，32位
• FBMx ：模式设置
置0，屏蔽模式；置1，列表模式
• FFAx ：关联设置
置0，FIFO 0；置1，FIFO 1
• FACTx ：激活设置
置0，禁用；置1，启用
过滤器配置示例
