# 初学STM32 CAN通信(一)

1. CAN协议简介

​ CAN是控制器局域网络(Controller Area Network)的简称, 是国际上应用最广泛的现场总线之一 ,近年来,它具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视,被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强及振动大的工业环境。

​ 与I2C、 SPI等具有时钟信号的同步通讯方式不同, CAN通讯并不是以时钟信号来进行同步的,它是一种异步通讯,只具有CAN_HighCAN_Low两条信号线,共同构成一组差分信号线,以差分信号的形式进行通讯。

CAN物理层的形式主要分为闭环总线开环总线网络两种,一个适合于高速通讯,一个适合于远距离通讯。

​ CAN总线上可以挂载多个通讯节点,节点之间的信号经过总线传输,实现节点间通讯。由于CAN通讯协议不对节点进行地址编码,而是对数据内容进行编码,所以网络中的节点个数理论上不受限制,只要总线的负载足够即可,可以通过中继器增强负载。

​ CAN通讯节点由一个CAN控制器及CAN收发器组成,控制器与收发器之间通过CAN_Tx及CAN_Rx信号线相连,收发器与CAN总线之间使用CAN_High及CAN_Low信号线相连。其中CAN_Tx及CAN_Rx使用普通的类似TTL逻辑信号,而CAN_High及CAN_Low是一对差分信号线,使用比较特别的差分信号。

​ 当CAN节点需要发送数据时,控制器把要发送的二进制编码通过CAN_Tx线发送到收发器,然后由收发器把这个普通的逻辑电平信号转化成差分信号,通过差分线CAN_High和CAN_Low线输出到CAN总线网络。而通过收发器接收总线上的数据到控制器时,则是相反的过程,收发器把总线上收到的CAN_High及CAN_Low信号转化成普通的逻辑电平信号,通过CAN_Rx输出到控制器中。

2. 差分信号

差分信号又称差模信号,与传统使用单根信号线电压表示逻辑的方式有区别,使用差分信号传输时,需要两根信号线,这两个信号线的振幅相等,相位相反,通过两根信号线的电压差值来表示逻辑0和逻辑1。

相对于单信号线传输的方式,使用差分信号传输具有如下优点:

抗干扰能力强,当外界存在噪声干扰时,几乎会同时耦合到两条信号线上,而接收端只关心两个信号的差值,所以外界的共模噪声可以被完全抵消。

能有效抑制它对外部的电磁干扰,同样的道理,由于两根信号的极性相反,他们对外辐射的电磁场可以相互抵消,耦合的越紧密,泄放到外界的电磁能量越少。

时序定位精确,由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点,而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断,因而受工艺,温度的影响小,能降低时序上的误差,同时也更适合于低幅度信号的电路。

由于差分信号线具有这些优点,所以在USB协议、 485协议、以太网协议及CAN协议的物理层中,都使用了差分信号传输

CAN协议中的差分信号

CAN协议中对它使用的CAN_High及CAN_Low表示的差分信号做了规定。以高速CAN协议为例,当表示逻辑1(隐性电平), CAN_High和CAN_Low线上的电压均为2.5v,即它们的电压差VH - VL=0 V;而表示逻辑0时(显性电平), CAN_High的电平为3.5V, CAN_Low线的电平为1.5V,即它们的电压差为VH - VL=2 V。

3. 位时序

​ 由于CAN属于异步通讯,没有时钟信号线,连接在同一个总线网络中的各个节点会像串口异步通讯那样,节点间使用约定好的波特率进行通讯,特别地, CAN还会使用“位同步”的方式来抗干扰、吸收误差,实现对总线电平信号进行正确的采样,确保通讯正常。

​ 为了实现位同步, CAN协议把每一个数据位的时序分解成SS段、 PTS段、PBS1段、 PBS2段,这四段的长度加起来即为一个CAN数据位的长度。分解后最小的时间单位是Tq,而一个完整的位由8~25个Tq组成。

​ 图中表示的CAN通讯信号每一个数据位的长度为19 Tq,其中SS段占1 Tq,PTS段占6 Tq, PBS1段占5 Tq, PBS2段占7 Tq。信号的采样点位于PBS1段与PBS2段之间,通过控制各段的长度,可以对采样点的位置进行偏移,以便准确地采样 。

SS段(SYNC SEG)

SS译为同步段,若通讯节点检测到总线上信号的跳变沿被包含在SS段的范围之内,则表示节点与总线的时序是同步的,当节点与总线同步时,采样点采集到的总线电平即可被确定为该位的电平。 SS段的大小固定为1 Tq。

• PTS段(PROP SEG)

PTS译为传播时间段,这个时间段是用于补偿网络的物理延时时间。是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时总和的两倍。 PTS段的大小可以为1~8 Tq。

• PBS1段(PHASE SEG1)

PBS1译为相位缓冲段,主要用来补偿边沿阶段的误差,它的时间长度在重新同步的时候可以加长。 PBS1段的初始大小可以为1~8 Tq。

• PBS1段(PHASE SEG1),

PBS1译为相位缓冲段,主要用来补偿边沿阶段的误差,它的时间长度在重新同步的时候可以加长。 PBS1段的初始大小可以为1~8 Tq。

4. CAN的报文种类及结构

报文的种类

数据帧的结构图 :

​ 数据帧以一个显性位(逻辑0)开始,以7个连续的隐性位(逻辑1)结束,在它们之间,分别有仲裁段、控制段、数据段、 CRC段和ACK段 。

• 帧起始

​ SOF段(Start Of Frame),译为帧起始, 帧起始信号只有一个数据位,是一个显性电平,它用于通知各个节点将有数据传输,其它节点通过帧起始信号的电平跳变沿来进行硬同步

• 仲裁段

当同时有两个报文被发送时,总线会根据仲裁段的内容决定哪个数据包能被传输,仲裁段的内容主要为本数据帧的ID信息(标识符),数据帧具有标准格式扩展格式两种,区别就在于ID信息的长度,标准格式的ID为11位扩展格式的ID为29位,它在标准ID的基础上多出18位。

RTR位 (Remote Transmission Request Bit),译作远程传输请求位,它是用于区分数据帧遥控帧的,当它为显性电平时表示数据帧,隐性电平时表示遥控帧。

IDE位(Identifier Extension Bit),译作标识符扩展位,它是用于区分标准格式扩展格式,当它为显性电平时表示标准格式,隐性电平时表示扩展格式。

SRR位(Substitute Remote Request Bit),只存在于扩展格式,它用于替代标准格式中的RTR位。由于扩展帧中的SRR位为隐性位, RTR在数据帧为显性位,所以在两个ID相同的标准格式报文与扩展格式报文中,标准格式的优先级较高。

• 控制段

在控制段中的r1和r0为保留位,默认设置为显性位。它最主要的是DLC段(DataLength Code),译为数据长度码,它由4个数据位组成,用于表示本报文中的数据段含有多少个字节, DLC段表示的数字为0~8。

• 数据段

数据段为数据帧的核心内容,它是节点要发送的原始信息,由0~8个字节组成,MSB先行。

• CRC段

为了保证报文的正确传输, CAN的报文包含了一段15位的CRC校验码一旦接收节点算出的CRC码跟接收到的CRC码不同,则它会向发送节点反馈出错信息,利用错误帧请求它重新发送。 CRC部分的计算一般由CAN控制器硬件完成,出错时的处理则由软件控制最大重发数。在CRC校验码之后,有一个CRC界定符,它为隐性位,主要作用是把CRC校验码与后面的ACK段间隔起来。

• ACK段

ACK段包括一个ACK槽位ACK界定符位。类似I2C总线,在ACK槽位中,发送节点发送的是隐性位,而接收节点则在这一位中发送显性位以示应答。在ACK槽和帧结束之间由ACK界定符间隔开。

• 帧结束

EOF段(End Of Frame),译为帧结束,帧结束段由发送节点发送的7个隐性位表示结束。

其他报文:


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