五、CAN总线

目录

一、底子知识
1、can介绍
2、CAN硬件电路
3、CAN电平标准
4、CAN收发器芯片介绍
5、CAN帧格式
① CAN帧种类
② CAN数据帧
③ CAN遥控帧​编辑
④ 位添补
⑤ 波形实例
6、接收方数据采样
① 接收方数据采样碰到的问题
② 位时序
③ 硬同步
④ 再同步
⑤ 波特率计算

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一、底子知识

1、can介绍

CAN（Controller Area Network），是ISO国际标准化的串行通讯协议。
为了满足汽车产业的“淘汰线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通讯”的需求。

低速CAN(ISO11519)通讯速率10~125Kbps，总线长度可达1000米。
高速CAN，经典CAN，(ISO11898)通讯速率125Kbps~1Mbps，总线长度≤40米。
CAN FD 通讯速率可达5Mbps，并且兼容经典CAN，遵照ISO 11898-1 做数据收发。
主流通讯协议对比

UART

IIC

SPI

2、CAN硬件电路

• 每个装备通过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
  
• 低速CAN使用开环网络，CAN_H和CAN_L此中一端添加2.2kΩ的终端电阻
  

终端电阻（120Ω），用于阻抗匹配，以淘汰回波反射。
CAN总线由两根线（ CANL 和 CANH ）组成，允许挂载多个装备节点（低速CAN:20 高速CAN:30）。
3、CAN电平标准

• CAN总线采用差分信号，即两线电压差（VCAN_H-VCAN_L）传输数据位
  
• 高速CAN规定：
  

            电压差为0V时表现逻辑1（隐性电平）
            电压差为2V时表现逻辑0（显性电平）

• 低速CAN规定：
  

            电压差为-1.5V时表现逻辑1（隐性电平）
            电压差为3V时表现逻辑0（显性电平）

• 显性电平具有优先权。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。
  

4、CAN收发器芯片介绍

        CAN收发器芯片：TJA1050、TJA1042、SIT1050T。
                                     战舰版开发板使用SIT1050T，支持高速CAN，传输速率可达1Mbps。
        D : CAN发送引脚
        R : CAN接收引脚
        Vref : 参考电压输出，可以用
        CANL : 低电位CAN电压输入输出端
        CANH : 高电位CAN电压输入输出端
        RS : 高速 / 静音模式选择（低电平为高速）
5、CAN帧格式

① CAN帧种类

        CAN总线以“帧”形式进行通讯。CAN协议定义了5种类型的帧：数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、间隔帧，此中数据帧最为常用。

帧类型	帧作用
数据帧（Data Frame）	用于发送单元向接收单元传输数据的帧
遥控帧（Remote Frame）	用于接收单元向具有相同ID的发送单元哀求数据的帧
错误帧（Error Frame）	用于当检测出错误时向其他单元关照错误的帧
过载帧（Overload Frame）	用于接收单元关照其尚未做好接收准备的帧
间隔帧（Inter Frame Space）	用于将数据帧 及遥控帧与前面的帧分脱离来的帧

② CAN数据帧

        空闲状态：隐形1
        帧起始：表现数据帧开始的段，显性信号。
        仲裁段：表现该帧优先级的段，优先级。
                       此中ID，区分数据的功能。RTR，区分广播式、数据帧（只写），哀求式、遥控帧（读取）。
        控制段：DLC，数据段的字节数是可调的。
                      保留位：R0，R1（IDE），IDE表现区分标准格式和扩展格式。
        CRC段：判断数据是否精确传输。发送方将前面，SOF到Data计算校验码，将校验码附在CRC中。接收方收到数据后，也会计算校验码，判断校验码是否同等。
                     CRC界定符：① 隔离CRC和ACK。② 在ACK槽之前，发送方开释总线（发生隐性1就是开释总线），将控制权给接收方发送应答信号。
        ACK段：判断是否有担当方。
                     ACK界定符：接收方开释总线，交出控制权。
        帧竣事：表现数据帧竣事的段，7个隐性信号。
        留意：发送方每发送一位，接收方就立即收到这一位。

③ CAN遥控帧

        遥控帧无数据段，RTR为隐性电平1，其他部门与数据帧相同。
        当某个装备发送遥控帧时，代表它想哀求这个数据。
        哀求方发出遥控帧，遥控帧的ID表现要哀求的数据。
        响应哀求的一方，通过相同ID的数据帧反馈数据。
        当哀求和反馈数据同时发生时，数据帧拥有更高的优先级。
④ 位添补

        位添补规则：发送方每发送5个相同电平后，主动追加一个相反电平的添补位。
                              接收方检测到添补位时，会主动移除添补位，规复原始数据。
        例如：
                  即将发送：    100000110       10000011110    0111111111110
                  实际发送：    1000001110       1000001111100    011111011111010
                  实际接收：    1000001110       1000001111100    011111011111010
                  移除添补后： 100000110       10000011110    0111111111110
        位添补作用：
                  增加波形的定时信息，利于接收方实行“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机遇。
                  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。
                  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。
⑤ 波形实例

• 标准数据帧，报文ID为0x555，数据长度1字节，数据内容为0xAA
  

• 标准数据帧，报文ID为0x666，数据长度2字节，数据内容为0x12, 0x34
  

• 扩展数据帧，报文ID为0x0789ABCD，数据长度1字节，数据内容为0x56
  

• 标准遥控帧，报文ID为0x088，数据长度1字节，无数据内容
  

6、接收方数据采样

• CAN总线没有时钟线，总线上的全部装备通过约定波特率的方式确定每一个数据位的时长。
  
• 发送方以约定的位时长每隔固定时间输出一个数据位。
  
• 接收方以约定的位时长每隔固定时间采样总线的电平，输入一个数据位。
  
• 理想状态下，接收方能依次采样到发送方发出的每个数据位，且采样点位于数据位中心附近。
  
• 数据位的位时长=1/波特率。
  

① 接收方数据采样碰到的问题

• 接收方以约定的位时上进行采样，但是采样点没有对齐数据位中心附近
  

• 接收方刚开始采样精确，但是时钟有误差，随着误差积累，采样点渐渐偏离
  
  
  

 ② 位时序

        为了机动调解每个采样点的位置，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上进行了更细的划分，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），每个段又由多少个最小时间单位（Tq）构成。

• SS = 1Tq
  
• PTS = 1~8Tq
  
• PBS1 = 1~8Tq
  
• PBS2 = 2~8Tq
  

 ③ 硬同步

• 每个装备都有一个位时序计时周期，当某个装备（发送方）率先发送报文，其他全部装备（接收方）收到SOF的降落沿时，接收方会将本身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。（接收方将本身的SS段与发送方调节为同等。）
  
• 硬同步只在帧的第一个降落沿（SOF降落沿）有效。
  
• 经过硬同步后，若发送方和接收方的时钟没有误差，则后续全部数据位的采样点一定都会对齐数据位中心附近。
  

位时序周期

 ④ 再同步

• 若发送方或接收方的时钟有误差，随着误差积累，数据位边沿渐渐偏离SS段，则此时接收方根据再同步赔偿宽度值（SJW）通过加长PBS1段，或收缩PBS2段，以调解同步。
  
• 再同步可以发生在第一个降落沿之后的每个数据位跳变边沿。
  
• SJW=1~4Tq。SJW为最大值。
  
  

⑤ 波特率计算

波特率 = 1 / 一个数据位的时长 = 1 / (TSS + TPTS + TPBS1 + TPBS2)


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