1、CAN總線簡介和硬件電路

1.1、CAN簡要介紹

CAN總線是一種簡潔易用、傳輸速度快、易擴展、可靠性高的串行通信總線，廣泛應用于汽車、嵌入式、工業(yè)控制等領域。

• 總線的特點：

  兩根通信線（CAN_H、CAN_L），線路少
  差分信號通信，抗干擾能力強
  高速CAN（ISO11898）：125k~1Mbps, <40m
  低速CAN（ISO11519）：10k~125kbps, <1km
  異步，無需時鐘線，通信速率由設備各自約定
  半雙工，可掛載多設備，多設備同時發(fā)送數(shù)據(jù)時通過仲裁判斷先后順序
  11位/29位報文ID，用于區(qū)分消息功能，同時決定優(yōu)先級
  可配置1~8字節(jié)的有效載荷
  可實現(xiàn)廣播式和請求式兩種傳輸方式
  應答、CRC校驗、位填充、位同步、錯誤處理等特性
  

1.2、硬件電路

1. 連接節(jié)點
   
   單片機將數(shù)據(jù)信號(0/1)通過TX傳輸?shù)紺AN收發(fā)器，收發(fā)器將傳輸來的信號進行判斷處理成差分信號電壓差，邏輯1和邏輯0的差分信號電壓差是不同的，然后減差分信號傳輸?shù)紺AN總線上。

2. 高速CAN
   
   如上圖所示：
   ①每個設備通過CAN收發(fā)器掛載在CAN總線網(wǎng)絡上
   ②CAN控制器引出的TX和RX與CAN收發(fā)器相連，CAN收發(fā)器引出的
   ③CAN_H和CAN_L分別與總線的CAN_H和CAN_L相連
   ④高速CAN使用閉環(huán)網(wǎng)絡，CAN_H和CAN_L兩端添加120Ω的終端電阻
   ⑤單片機將數(shù)據(jù)信號(0/1)通過TX傳輸?shù)紺AN收發(fā)器，收發(fā)器將傳輸來的信號進行處理成差分信號，然后傳輸?shù)紺AN總線上
   ⑥高速CAN的數(shù)傳輸速率快，但是傳輸?shù)木嚯x斷，最遠只有40m

3. 低速CAN
   
   如上圖所示：
   ①低速CAN使用開環(huán)網(wǎng)絡，CAN_H和CAN_L其中一端添加2.2kΩ的終端電阻
   ②低速CAN的數(shù)據(jù)傳輸慢，但是傳輸?shù)木嚯x遠，可以傳輸1km

1.3、CAN總線的電平標準

單片機將數(shù)據(jù)信號(0/1)通過TX傳輸?shù)紺AN收發(fā)器，收發(fā)器將傳輸來的信號進行處理成差分信號，然后傳輸?shù)紺AN總線上。而這差分信號即2線上面的電壓差（Vcan_H - Vcan_L）。傳輸規(guī)定：若Vcan_H - Vcan_L 小于等于0，就代表總線上為邏輯電平1；若Vcan_H - Vcan_L 大于0，就代表總線上為邏輯電平0；
如下圖所示：


為什么CAN總線使用的是差分信號喃？
最主要的原因就是抗干擾的能力強，傳統(tǒng)的傳輸使用的是單端信號：一根信號線和一根地線，比如串口通信UART。信號線對比地線的電壓來傳輸邏輯電平是1還是0，比如對比地線電壓是3.3v，那么傳輸?shù)男盘柺沁壿?，對比地線電壓是0v，那么傳輸?shù)男盘柺沁壿?。若在傳輸?shù)倪^程中被電磁信號干擾由0v變?yōu)?.3v，發(fā)送端發(fā)送的是邏輯0，而接收端接收的是被干擾后的邏輯1。而CAN總線采用差分信號就是為了避免這種干擾。
例如下圖所示：

如圖所示：雖然存在干擾信號，但是干擾使得Vcan_H和Vcan_L的電平增量是一樣大的，而邏輯電平是由他們的電壓差決定的，所以干擾后，他們的電壓差是不變的，即邏輯電平也是不變的。（前提是差分走線必須是等長、等寬、緊密靠近、且在同一層面的兩根線）

2、幀格式

1、CAN總線是廣播類型的總線。這意味著所有節(jié)點都可以偵聽到所有傳輸?shù)膱笪?/mark>。無法將報文單獨發(fā)送給指定節(jié)點；所有節(jié)點都將始終捕獲所有報文。但是CAN硬件能夠提供本地過濾功能，讓每個節(jié)點對報文有選擇性地做出響應。
2、CAN總線上有5種不同的報文類型（或“幀”）：數(shù)據(jù)幀，遠程幀，錯誤幀，過載幀和幀間隔。其中錯誤幀、過載幀、幀間隔都是由硬件自動完成的，沒有辦法用軟件來控制。對于一般使用者來說，只需要掌握數(shù)據(jù)幀與遙控幀。數(shù)據(jù)幀和遙控幀有標準格式與擴展格式。標準格式有11位標識符，擴展格式有29位標識符。

2.1、數(shù)據(jù)幀（掌握）

數(shù)據(jù)幀由2中幀格式：標準幀和擴展幀

1. 標準幀
   
2. 擴展幀
   SRR位代替RTR位，因為RTR挪到后面去了，SRR為隱形1
   IDE位用于區(qū)分標準幀和擴展幀，若為擴展幀，則IED為隱形1
   和標準幀進行對比，擴展幀多了SRR，ID多了7位，R1,R0。

數(shù)據(jù)幀總結(jié)如下：

2.2、遙控幀（掌握）

2.3、錯誤幀（了解）

總線上所有設備都會監(jiān)督總線的數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)“位錯誤”或“填充錯誤”或“CRC錯誤”或“格式錯誤”或“應答錯誤” ，這些設備便會發(fā)出錯誤幀來破壞數(shù)據(jù)，同時終止當前的發(fā)送設備

2.4、過載幀（了解）

當接收方收到大量數(shù)據(jù)而無法處理時，其可以發(fā)出過載幀，延緩發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送，以平衡總線負載，避免數(shù)據(jù)丟失

發(fā)送6位顯性電平0拉開電位，讓發(fā)送方發(fā)送不了數(shù)據(jù)到CAN總線上面，主要延緩了發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送

2.5、幀間隔（了解）

將數(shù)據(jù)幀和遙控幀與前面的幀分離開，即連續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀之間有幀間隔。

2.6、位填充（掌握）

3、位同步

位時序：為了靈活調(diào)整每個采樣點的位置，使采樣點對齊數(shù)據(jù)位中心附近，CAN總線對每一個數(shù)據(jù)位的時長進行了更細的劃分，分為同步段（SS）、傳播時間段（PTS）、相位緩沖段1（PBS1）和相位緩沖段2（PBS2），每個段又由若干個最小時間單位（Tq）構(gòu)成。

3.1、硬同步

每個設備都有一個位時序計時鐘秒表，秒表一圈的時間正好也是一位數(shù)據(jù)的發(fā)送時間，而秒表的時鐘也被分為和數(shù)據(jù)位相同的4個區(qū)域。發(fā)送設備每發(fā)送一位數(shù)據(jù)，秒表也正好轉(zhuǎn)動一圈，并且數(shù)據(jù)位的每一段和秒表的時區(qū)一一對應。如下圖所示：

當某個設備（發(fā)送方）率先發(fā)送報文，其他所有設備（接收方）收到SOF的下降沿時，接收方會將自己的位時序計時周期撥到SS段的中間位置，秒表時區(qū)與數(shù)據(jù)位的每段保持同步。

接收設備是看這個秒表進行對數(shù)據(jù)采樣的，每當秒表的秒鐘指向PBS1和PBS2時間段之間，設備就開始對數(shù)據(jù)位采樣一次，如果數(shù)據(jù)位與秒表時區(qū)段對齊了，那么每次采樣都是準確的數(shù)據(jù)位。若數(shù)據(jù)位與時區(qū)沒有對齊，那么可能采樣的數(shù)據(jù)不準確。如下圖所示：

如果沒有對齊，如上圖所示：若接收設備接收到數(shù)據(jù)位的PBS1時，設備秒表卻指向SS，當再過5.5個Tq時間后，設備接收到正好是數(shù)據(jù)位的變化，而設備秒表卻指向了PBS1和PBS2之間，此時正好是采樣時間，所以此時采樣到的是電平跳變，那么采樣到的數(shù)據(jù)是0還是1喃？這不能確定，所以這存在著很大的誤差。

3.2、再同步

若發(fā)送方或接收方的時鐘有誤差，隨著誤差積累，數(shù)據(jù)位邊沿逐漸偏離SS段，則此時接收方根據(jù)再同步補償寬度值（SJW=1~4Tq）通過加長PBS1段，或縮短PBS2段，以調(diào)整同步。例如接收設備的秒表指針轉(zhuǎn)動慢一些，當接收設備接收到下一位數(shù)據(jù)的跳變邊沿時，設備秒表的秒鐘卻還沒有指向SS中心。如下圖所示：

想要解決這種誤差，那么就將PBS2縮短即可，縮短到秒針正好指向SS中心。

4、仲裁

CAN總線只有一對差分信號線，同一時間只能有一個設備操作總線發(fā)送數(shù)據(jù)，若多個設備同時有發(fā)送需求，該如何分配總線資源？解決的方法是1、先占先得。2、非破壞性仲裁。

4.1、先占先得

4.2、非破壞性仲裁

當2個設備同時給總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，都發(fā)送的是標準幀格式，那么通過仲裁段的數(shù)據(jù)來判斷誰能成為贏家。如下圖所示：

4.3、數(shù)據(jù)幀與遙控幀

4.4、標準幀與擴展幀

總結(jié)：不論標準幀與擴展幀進行對比，還是數(shù)據(jù)幀與遙控幀對比。他們的仲裁結(jié)果都是按照上面的仲裁規(guī)則而得出的。