CAN
(32 封私信 / 80 条消息) CAN总线通信详解 (超详细配34张高清图) - 知乎
CAN总线历史
CAN 是 Controller Area Network 的缩写（以下称为 CAN），是 ISO国际标准化的串行通信协议。
在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个 LAN，进行大量数据的高速通信”的需要。
CAN 最初出现在80年代末的汽车工业中，由德国 Bosch 公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出 CAN 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1993年，CAN 已成为国际标准 ISO11898(高速应用)和 ISO11519（低速应用）。 CAN 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km 时，CAN 仍可提供高达50Kbit/s 的数据传输速率。由于 CAN 总线具有很高的实时性能，现在，CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。
结构
CAN总线网络的结构有闭环和开环两种形式。
如下图所示，是闭环结构的CAN总线网络，总线两端各连接一个120欧的电阻，两根信号线形成回路。这种CAN总线网络由ISO 11898标准定义，是高速、短距离的CAN网络，通信速率为125kbit/s到1Mbit/s。在1Mbit/s通讯速率时，总线长度最长达40m。
![[闭环结构CAN总线.png]]
下图是开环结构的CAN总线网络，两根信号线独立，各自串联一个2.2k欧的电阻。这种CAN总线网络由ISO11519-2标准定义，是低速、远距离的CAN网络，通信速率最高125kbit/s。在40kbit/s速率时，总线最长距离可达1000m。
![[开环结构CAN总线.png]]
CAN总线由两根信号线，即图中的CANH和CANL，没有时钟同步信号。所以CAN是一种异步通信方式，与UART的异步通信方式类似，而SPI、I2C是以时钟信号同步的同步通信方式。
CAN总线的两根信号线通常采用的是双绞线，如下图所示，传输的是差分信号，通过两根信号线的电压差CANH-CANL来表示总线电平。以差分信号传输信息具有抗干扰能力强，能有效抑制外部电磁干扰等优点，这也是CAN总线在工业上应用广泛的一个原因。使用差分信号表示总线电平的还有RS485网络，也是一种常用的工业现场总线。
![[双绞线类型.png]]
两根信号线的电压差CANH-CANL表示CAN总线的电平，与传输的逻辑信号1或0对应。对应于逻辑1的称为隐性（Recessive）电平，对应于逻辑0成为显性（Dominant）电平。如图所示，上半部分为实际CANH和CANL的电平，下半部分对于的逻辑电平。
![[根据 ISO 11898 的额定总线电平.png]]
对应于逻辑1和逻辑0，开环结构和闭环结构CAN网络的CANH和CANL的电压值不一样，隐性电平和显性电平的电压值不一样。两种网络结构下的CAN总线信号典型的电压如下表1所示，在ISO11898中，隐性电平在电压差0附近，显性电平主要在电压差2V附近。在ISO11519-2中，隐性电平在电压差小于0V，显性电平电压差大于2V：
![[ISO11898 和 11519-2 物理层的主要不同点.png]]
如图所示的CAN总线网络中，CAN总线上的一个终端设备称为一个节点（Node），在CAN网络中，没有主设备和从设备的区别。一个CAN节点的硬件部分一般由CAN控制器和CAN收发器两个部分组成。CAN控制器负责CAN总线的逻辑控制，实现CAN传输协议；CAN收发器主要负责MCU逻辑电平与CAN总线电平之间的转换。
CAN控制器一般是MCU的片上外设，例如，STM32F407有两个CAN控制器。CAN收发器一般是单独的芯片，并且根据CAN总线的结构不同，需要使用不同的CAN收发芯片，例如，STM32F407开发板上使用的CAN收发芯片是TJA1040，只能构成闭环网络结构。
CAN总线特点
- 实时性：CAN总线具有优越的实时性能，适用于需要及时传输数据的应用，如汽车控制系统、工业自动化等。仲裁机制和帧优先级的设计保证了低延迟和可预测性。
- 多主机系统：CAN支持多主机系统，多个节点可以同时发送和接收数据。这种分布式控制结构使得系统更加灵活，适用于复杂的嵌入式网络。CAN总线上的节点既可以发送数据又可以接收数据，没有主从之分。但是在同一个时刻，只能由一个节点发送数据，其他节点只能接收数据。
- 差分信号传输：CAN使用差分信号传输，通过两个线路（CAN_H和CAN_L）之间的电压差来传递信息。这种差分传输方式提供了良好的抗干扰性能，使得CAN总线适用于工业环境等有电磁干扰的场合。
- 仲裁机制：CAN总线采用非破坏性仲裁机制，通过比较消息标识符的优先级来决定哪个节点有权继续发送数据。这种机制确保了总线上数据传输的有序性，避免了冲突。
- 广播通信：CAN总线采用广播通信方式，即发送的数据帧可以被总线上的所有节点接收。这种特性有助于信息的共享和同步，同时减少了系统的复杂性。
- 低成本：CAN总线的硬件成本相对较低，适用于大规模的系统集成。由于CAN控制器在硬件上实现了仲裁机制，无需额外的主机处理器，减小了成本和复杂性。
- 灵活性：CAN协议灵活适应不同的应用场景，支持不同的波特率和通信速率。这使得CAN总线可以被广泛用于各种嵌入式系统，从低速的传感器网络到高速的汽车控制系统。
- 错误检测和处理：CAN总线具有强大的错误检测和处理机制。通过CRC检查和其他错误检测手段，CAN能够识别和处理传输过程中可能发生的错误，提高了通信的可靠性。
- 多种帧类型：CAN总线上的节点没有地址的概念。CAN总线上的数据是以帧为单位传输的，帧又分为数据帧、遥控帧等多种帧类型，帧包含需要传输的数据或控制信息。
- 线与逻辑：CAN总线具有“线与”的特性，也就是当由两个节点同时向总线发送信号时，一个是发送显性电平（逻辑0），另一个发送隐性电平（逻辑1），则总线呈现为显性电平。这个特性被用于总线总裁，也就是哪个节点优先占用总线进行发送操作。
- 特定标识符：每一个帧有一个标识符（Identifier，一下简称ID）。ID不是地址，它表示传输数据的类型，也可以用于总线仲裁时确定优先级。例如，在汽车的CAN总线上，假设用于碰撞检测的节点输出数据帧ID为01，车内温度检测节点发送数据帧的ID为05等。
- 滤波特性：每个CAN节点都接收数据，但是可以对接收的帧根据ID进行过滤。只有节点需要的数据才会被接收并进一步处理，不需要的数据会被自动舍弃。例如，假设安全气囊控制器只接受碰撞检测节点发出的ID为01的帧，这种ID的过滤时有硬件完成的，以便安全气囊控制器在发送碰撞时能及时响应。
- 半双工：CAN总线通信时半双工的，即总线不能同时发送和接收。在多个节点竞争总线进行发送时，通过ID的优先级进行仲裁，竞争胜出的节点继续发送，竞争失败的节点立刻转入接收状态。
- 无时钟信号：CAN总线没有用于同步的时钟信号，所以需要规定CAN总线通信的波特率，所以节点都是用同样的波特率进行通信。
CAN位时序和波特率
一个CAN网络需要规定一个通信的波特率，各节点都以相同的波特率进行数据通信。位时序指的是一个节点采集CAN总线上的一个为数据的时序，位时序如图7所示。通过位时序的控制，CAN总线可以进行位同步，以吸收节点时钟差异产生的波特率误差，保证接收数据的准确性。
图7中的标称位事件（Nominal Bit Time，NBT）指的是传输一个位数据的时间，用于确定CNA总线的波特率。这个事件被分成了3段。
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同步段（SYNC_SEG）：在这个时间段内，总线上应该发送一次位信号的跳变。如果节点在同步段检测到总线上的一个跳变沿，就表示节点与总线是同步的。同步段长度固定位1个tq。
tq（time quantum）被称为时间片，tq由CAN控制器的时钟频率fcan决定。在STM32F407中，两个CAN控制器在APB1总线上，CAN控制器有预分频器，APB1总线的时钟信号PCLK1经分频后得到fcan。 -
位段1（Bit Segment 1，BS1）：定义了采样点的位置。在BS1结束的时间点对总线采样，得到的电平就是这个位的电平。BS1的初始长度是1到16个tq，但它的长度可以在再同步（resynchronization）的时候被自动加长，以补偿各节点频率差异导致的正相位漂移。
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位段2（Bit Segment 2，BS2）：定义了发送点的位置。BS2的初始长度是1到8各tq，再同步时可以被自动缩短，以补偿负相位漂移。
CAN控制器可以自动对位时序进行再同步，再同步时自动调整BS1和BS2的长度，位段加长或缩短的上线称为再同步跳转宽度（resynchronization Jump Width，SJW），SJW的取值是1到4个tq。
CAN总线的波特率就由标称位时间长度NBT决定，而NBT时位时序3个段的时间长度和，即
