一. CAN協議概念

1.1 CAN 協議簡介

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。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。

我們來貼圖一個車載網絡構想圖

1.2 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，只具有 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

1.2.1 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。

1.2.2 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。

1.2.3 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：

1.2.4 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：

? 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。

? 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 ? 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。

1.2.5 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 。

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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。

1.3 CAN 協議層

1.3.1 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。

1.3.2 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。

1.3.3 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。

1.3.4 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

1.3.5 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。

1.3.5.1 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表

1.3.5.2 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，見圖

數據幀以一個顯性位 (邏輯 0) 開始，以 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。

? 幀起始

SOF 段 (Start Of Frame)，譯為幀起始，幀起始信號只有一個數據位，是一個顯性電平，它用于通知各個節點將有數據傳輸，其它節點通過幀起始信號的電平跳變沿來進行硬同步。

? 仲裁段

當同時有兩個報文被發送時，總線會根據仲裁段的內容決定哪個數據包能被傳輸，這也是它名稱的由來。

仲裁段的內容主要為本數據幀的 ID 信息 (標識符)，數據幀具有標準格式和擴展格式兩種，區別就在于 ID 信息的長度，標準格式的 ID 為 11 位，擴展格式的 ID 為 29 位，它在標準 ID 的基礎上多出 18 位。在 CAN 協議中， ID 起著重要的作用，它決定著數據幀發送的優先級，也決定著其它節點是否會接收這個數據幀。

CAN 協議不對掛載在它之上的節點分配優先級和地址，對總線的占有權是由信息的重要性決定的，即對于重要的信息，我們會給它打包上一個優先級高的 ID，使它能夠及時地發送出去。也正因為它這樣的優先級分配原則，使得 CAN 的擴展性大大加強，在總線上增加或減少節點并不影響其它設備。

報文的優先級，是通過對 ID 的仲裁來確定的。根據前面對物理層的分析我們知道如果總線上同時出現顯性電平和隱性電平，總線的狀態會被置為顯性電平，CAN 正是利用這個特性進行仲裁。

若兩個節點同時競爭 CAN 總線的占有權，當它們發送報文時，若首先出現隱性電平，則會失去對總線的占有權，進入接收狀態。

見圖 ，在開始階段，兩個設備發送的電平一樣，所以它們一直繼續發送數據。到了圖中箭頭所指的時序處，節點單元 1 發送的為隱性電平，而此時節點單元 2 發送的為顯性電平，由于總線的“線與”特性使它表達出顯示電平，因此單元 2 競爭總線成功，這個報文得以被繼續發送出去。

仲裁段 ID 的優先級也影響著接收設備對報文的反應。因為在 CAN 總線上數據是以廣播的形式發送的，所有連接在 CAN 總線的節點都會收到所有其它節點發出的有效數據，因而我們的 CAN 控制器大多具有根據 ID 過濾報文的功能，它可以控制自己只接收某些 ID 的報文。 回看數據幀格式，可看到仲裁段除了報文 ID 外，還有 RTR、IDE 和 SRR 位。

(1) RTR 位 (Remote Transmission Request Bit)，譯作遠程傳輸請求位，它是用于區分數據幀和遙控幀的，當它為顯性電平時表示數據幀，隱性電平時表示遙控幀。

(2) IDE 位 (Identifier ExtensionBit)，譯作標識符擴展位，它是用于區分標準格式與擴展格式，當它為顯性電平時表示標準格式，隱性電平時表示擴展格式。

(3) SRR 位 (Substitute Remote Request Bit)，只存在于擴展格式，它用于替代標準格式中的 RTR位。由于擴展幀中的 SRR 位為隱性位，RTR 在數據幀為顯性位，所以在兩個 ID 相同的標準格式報文與擴展格式報文中，標準格式的優先級較高。

? 控制段

在控制段中的 r1 和 r0 為保留位，默認設置為顯性位。它最主要的是 DLC 段 (Data Length Code)，譯為數據長度碼，它由 4 個數據位組成，用于表示本報文中的數據段含有多少個字節， DLC 段表示的數字為 0~8。

? 數據段

數據段為數據幀的核心內容，它是節點要發送的原始信息，由 0~8 個字節組成，MSB 先行。

? CRC 段

為了保證報文的正確傳輸，CAN 的報文包含了一段 15 位的 CRC 校驗碼，一旦接收節點算出的CRC 碼跟接收到的 CRC 碼不同，則它會向發送節點反饋出錯信息，利用錯誤幀請求它重新發送。 CRC 部分的計算一般由 CAN 控制器硬件完成，出錯時的處理則由軟件控制最大重發數。在 CRC 校驗碼之后，有一個 CRC 界定符，它為隱性位，主要作用是把 CRC 校驗碼與后面的 ACK段間隔起來。

? ACK 段

ACK 段包括一個 ACK 槽位，和 ACK 界定符位。類似 I2C 總線，在 ACK 槽位中，發送節點發送的是隱性位，而接收節點則在這一位中發送顯性位以示應答。在 ACK 槽和幀結束之間由 ACK 界定符間隔開。

? 幀結束

EOF 段 (End Of Frame)，譯為幀結束，幀結束段由發送節點發送的 7 個隱性位表示結束。

1.3.5.3 其它報文的結構

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編輯：黃飛

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