CAN總線相關內容

CAN是控制器局域網絡（Controller Area Network）的簡稱，它是由研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發的，并最終成為國際標準（ISO11519以及ISO11898），是國際上應用最廣泛的現場總線之一。 ? 兩個標準的差異點如下： ?

? CAN總線協議已經成為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線，并且擁有以CAN為底層協議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協議。 ? 近年來，它具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強及振動大的工業環境。 ? 我們來貼一個車載網絡構想圖。 ?

?1 CAN物理層? 與I2C、SPI等具有時鐘信號的同步通訊方式不同，CAN通訊并不是以時鐘信號來進行同步的，它是一種異步通訊，只有CAN_High和CAN_Low兩條信號線，共同構成一組差分信號線，以差分信號的形式進行通訊。我們來看一個示意圖。 ?

?1.1 閉環總線網絡? CAN物理層的形式主要有兩種，圖中的CAN通訊網絡是一種遵循ISO11898標準的高速、短距離“閉環網絡”，它的總線最大長度為40m，通信速度最高為1Mbps，總線的兩端各要求有一個“120 歐”的電阻。 ?

?1.2 開環總線網絡? 圖中的是遵循ISO11519-2標準的低速、遠距離“開環網絡”，它的最大傳輸距離為1km，最高通訊速率為125kbps，兩根總線是獨立的、不形成閉環，要求每根總線上各串聯有一個“2.2千歐”的電阻。 ?

?1.3 通訊節點? 從CAN通訊網絡圖可了解到，CAN總線上可以掛載多個通訊節點，節點之間的信號經過總線傳輸，實現節點間通訊。 ? 由于CAN通訊協議不對節點進行地址編碼，而是對數據內容進行編碼的，所以網絡中的節點個數理論上不受限制，只要總線的負載足夠即可，可以通過中繼器增強負載。 ? CAN通訊節點由一個CAN控制器及CAN收發器組成，控制器與收發器之間通過CAN_Tx及CAN_Rx信號線相連，收發器與CAN總線之間使用CAN_High及CAN_Low信號線相連。 ? 其中CAN_Tx及CAN_Rx使用普通的類似TTL邏輯信號，而CAN_High及CAN_Low是一對差分信號線，使用比較特別的差分信號，下一小節再詳細說明。 ? 當CAN節點需要發送數據時，控制器把要發送的二進制編碼通過CAN_Tx線發送到收發器，然后由收發器把這個普通的邏輯電平信號轉化成差分信號，通過差分線CAN_High和CAN_Low線輸出到CAN總線網絡。 ? 而通過收發器接收總線上的數據到控制器時，則是相反的過程，收發器把總線上收到的CAN_High及CAN_Low信號轉化成普通的邏輯電平信號，通過CAN_Rx輸出到控制器中。 ? 例如，STM32的CAN片上外設就是通訊節點中的控制器，為了構成完整的節點，還要給它外接一個收發器，在我們實驗板中使用型號為TJA1050的芯片作為CAN收發器。 ? CAN控制器與CAN收發器的關系如同TTL串口與MAX3232電平轉換芯片的關系，MAX3232芯片把TTL電平的串口信號轉換成RS-232電平的串口信號，CAN收發器的作用則是把CAN控制器的TTL電平信號轉換成差分信號 (或者相反) 。 ? 目前有以下CAN電平轉換芯片（不全） ?

? 我們來用TJA1050來看下原理圖： ?

?1.4 差分信號? 差分信號又稱差模信號，與傳統使用單根信號線電壓表示邏輯的方式有區別，使用差分信號傳輸時，需要兩根信號線，這兩個信號線的振幅相等，相位相反，通過兩根信號線的電壓差值來表示邏輯 0 和邏輯 1。 ? 見下圖，它使用了V+與V-信號的差值表達出了圖下方的信號。 ?

? 相對于單信號線傳輸的方式，使用差分信號傳輸具有如下優點： ? （1）抗干擾能力強，當外界存在噪聲干擾時，幾乎會同時耦合到兩條信號線上，而接收端只關心兩個信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。 ? 舉一個例子，正常的單線假設邏輯1是3.3V，邏輯0假設是0V，但是如果有噪聲，把3.3V弄成了0V(極端)，把0V弄成了-3.3V，此時就邏輯錯誤，但是有Can高/Can低一般都作用于兩根線，所以兩個雖然都有噪聲影響，但是差值還是不變的 ? （2）能有效抑制它對外部的電磁干擾，同樣的道理，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。 ? 舉一個例子，假設一根是10V，一根是-10V，單跟都會對外部造成電磁干擾，但是CAN可以把線擰在一起，跟編麻花一樣，可以互相抵消電子干擾 ? （3）時序定位精確，由于差分信號的開關變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。 ? 由于差分信號線具有這些優點，所以在USB協議、485協議、以太網協議及CAN協議的物理層中，都使用了差分信號傳輸。 ?1.5 CAN協議中的差分信號? CAN協議中對它使用的CAN_High及CAN_Low表示的差分信號做了規定，見表及圖。 ? 以高速CAN協議為例，當表示邏輯1時 (隱性電平) ，CAN_High和CAN_Low 線上的電壓均為2.5v，即它們的電壓差 VH-VL=0V；而表示邏輯0時 (顯性電平) ，CAN_High的電平為3.5V，CAN_Low線的電平為1.5V，即它們的電壓差為 VH-VL=2V。 ? 例如，當CAN收發器從CAN_Tx線接收到來自CAN控制器的低電平信號時 (邏輯0)，它會使CAN_High輸出3.5V，同時CAN_Low輸出1.5V，從而輸出顯性電平表示邏輯0 。 ?

? 在CAN總線中，必須使它處于隱性電平 (邏輯1) 或顯性電平 (邏輯0) 中的其中一個狀態。假如有兩個CAN通訊節點，在同一時間，一個輸出隱性電平，另一個輸出顯性電平，類似I2C總線的“線與”特性將使它處于顯性電平狀態，顯性電平的名字就是這樣來的，即可以認為顯性具有優先的意味。 ?

? 由于 CAN 總線協議的物理層只有1對差分線，在一個時刻只能表示一個信號，所以對通訊節點來說，CAN通訊是半雙工的，收發數據需要分時進行。在CAN的通訊網絡中，因為共用總線，在整個網絡中同一時刻只能有一個通訊節點發送信號，其余的節點在該時刻都只能接收。 ?2 CAN協議層?2.1 CAN的波特率及位同步? 由于CAN屬于異步通訊，沒有時鐘信號線，連接在同一個總線網絡中的各個節點會像串口異步通訊那樣，節點間使用約定好的波特率進行通訊，特別地，CAN還會使用“位同步”的方式來抗干擾、吸收誤差，實現對總線電平信號進行正確的采樣，確保通訊正常。 ?2.2 位時序分解? 為了實現位同步，CAN協議把每一個數據位的時序分解成如圖所示的SS段、PTS段、PBS1段、PBS2段，這四段的長度加起來即為一個CAN數據位的長度。分解后最小的時間單位是Tq，而一個完整的位由8~25個Tq組成。 ? 為方便表示，圖中的高低電平直接代表信號邏輯0或邏輯1(不是差分信號)。 ?

? 該圖中表示的CAN通訊信號每一個數據位的長度為19Tq，其中SS段占1Tq，PTS段占6Tq， PBS1段占5Tq， PBS2段占7Tq。 ? 信號的采樣點位于PBS1段與PBS2段之間，通過控制各段的長度，可以對采樣點的位置進行偏移，以便準確地采樣。 ? 各段的作用如介紹下： ?

SS段 (SYNC SEG)

SS譯為同步段，若通訊節點檢測到總線上信號的跳變沿被包含在SS段的范圍之內，則表示節點與總線的時序是同步的，當節點與總線同步時，采樣點采集到的總線電平即可被確定為該位的電平。SS段的大小固定為1Tq。 ?

PTS段 (PROP SEG)

PTS譯為傳播時間段，這個時間段是用于補償網絡的物理延時時間。是總線上輸入比較器延時和輸出驅動器延時總和的兩倍。PTS段的大小可以為1~8Tq。 ?

PBS1段 (PHASE SEG1)

PBS1譯為相位緩沖段，主要用來補償邊沿階段的誤差，它的時間長度在重新同步的時候可以加長。PBS1段的初始大小可以為1~8Tq。 ?

PBS2段 (PHASE SEG2)

PBS2這是另一個相位緩沖段，也是用來補償邊沿階段誤差的，它的時間長度在重新同步時可以縮短。PBS2段的初始大小可以為2~8Tq。 ?2.3 通訊的波特率? 總線上的各個通訊節點只要約定好1個Tq的時間長度以及每一個數據位占據多少個Tq，就可以確定CAN通訊的波特率。 ? 例如，假設上圖中的1Tq=1us，而每個數據位由19個Tq組成，則傳輸一位數據需要時間T1bit=19us，從而每秒可以傳輸的數據位個數為：1x10次方/19 = 52631.6 (bps) ? 這個每秒可傳輸的數據位的個數即為通訊中的波特率。 ?2.4 同步過程分析? 波特率只是約定了每個數據位的長度，數據同步還涉及到相位的細節，這個時候就需要用到數據位內的SS、PTS、PBS1及PBS2段了。根據對段的應用方式差異， CAN的數據同步分為硬同步和重新同步。其中硬同步只是當存在“幀起始信號”時起作用，無法確保后續一連串的位時序都是同步的，而重新同步方式可解決該問題，這兩種方式具體介紹如下： ?① 硬同步? 若某個CAN節點通過總線發送數據時，它會發送一個表示通訊起始的信號 (即下一小節介紹的幀起始信號)，該信號是一個由高變低的下降沿。而掛載到CAN總線上的通訊節點在不發送數據時，會時刻檢測總線上的信號。見圖，可以看到當總線出現幀起始信號時，某節點檢測到總線的幀起始信號不在節點內部時序的SS段范圍，所以判斷它自己的內部時序與總線不同步，因而這個狀態的采樣點采集得的數據是不正確的。所以節點以硬同步的方式調整，把自己的位時序中的SS段平移至總線出現下降沿的部分，獲得同步，同步后采樣點就可以采集得正確數據了。 ?

?② 重新同步? 前面的硬同步只是當存在幀起始信號時才起作用，如果在一幀很長的數據內，節點信號與總線信號相位有偏移時，這種同步方式就無能為力了。因而需要引入重新同步方式，它利用普通數據位的高至低電平的跳變沿來同步 (幀起始信號是特殊的跳變沿)。 ? 重新同步與硬同步方式相似的地方是它們都使用SS段來進行檢測，同步的目的都是使節點內的SS段把跳變沿包含起來。 ? 重新同步的方式分為超前和滯后兩種情況，以總線跳變沿與SS段的相對位置進行區分。 ? 第一種相位超前的情況如圖，節點從總線的邊沿跳變中，檢測到它內部的時序比總線的時序相對超前2Tq，這時控制器在下一個位時序中的PBS1段增加2Tq的時間長度，使得節點與總線時序重新同步。 ?

? 第二種相位滯后的情況如圖，節點從總線的邊沿跳變中，檢測到它的時序比總線的時序相對滯后2Tq，這時控制器在前一個位時序中的PBS2段減少2Tq的時間長度，獲得同步。 ?

? 在重新同步的時候，PBS1和PBS2中增加或減少的這段時間長度被定義為“重新同步補償寬度SJW（reSynchronization Jump Width）”。 ? 一般來說CAN控制器會限定SJW的最大值，如限定了最大SJW=3Tq時，單次同步調整的時候不能增加或減少超過3Tq的時間長度，若有需要，控制器會通過多次小幅度調整來實現同步。當控制器設置的SJW極限值較大時，可以吸收的誤差加大，但通訊的速度會下降 ?2.5 CAN的報文種類及結構? 在SPI通訊中，片選、時鐘信號、數據輸入及數據輸出這4個信號都有單獨的信號線，I2C協議包含有時鐘信號及數據信號2條信號線，異步串口包含接收與發送2條信號線，這些協議包含的信號都比CAN協議要豐富，它們能輕易進行數據同步或區分數據傳輸方向。 ? 而CAN使用的是兩條差分信號線，只能表達一個信號，簡潔的物理層決定了CAN必然要配上一套更復雜的協議，如何用一個信號通道實現同樣、甚至更強大的功能呢？ ? CAN協議給出的解決方案是對數據、操作命令 (如讀/寫) 以及同步信號進行打包，打包后的這些內容稱為報文。 ?2.5.1 報文的種類? 在原始數據段的前面加上傳輸起始標簽、片選 (識別) 標簽和控制標簽，在數據的尾段加上CRC校驗標簽、應答標簽和傳輸結束標簽，把這些內容按特定的格式打包好，就可以用一個通道表達各種信號了，各種各樣的標簽就如同SPI中各種通道上的信號，起到了協同傳輸的作用。當整個數據包被傳輸到其它設備時，只要這些設備按格式去解讀，就能還原出原始數據，這樣的報文就被稱為CAN的“數據幀”。 ? 為了更有效地控制通訊，CAN一共規定了 5 種類型的幀，它們的類型及用途說明如下表。 ?

?2.5.2 數據幀的結構? 數據幀是在CAN通訊中最主要、最復雜的報文，我們來了解它的結構，見下圖： ?

? 數據幀以一個顯性位 (邏輯0) 開始， 7個連續的隱性位 (邏輯1) 結束，在它們之間，分別有仲裁段、控制段、數據段、CRC段和ACK段。 ?3 CAN控制內核? 框圖中標號處的CAN控制內核包含了各種控制寄存器及狀態寄存器，我們主要講解其中的主控制寄存器CAN_MCR及位時序寄存器CAN_BTR。 ?3.1 主控制寄存器CAN_MCR? 主控制寄存器CAN_MCR負責管理CAN的工作模式，它使用以下寄存器位實現控制。 ?3.2 位時序寄存器 (CAN_BTR) 及波特率?