STM32：CAN总线精髓：特性、电路、帧格式与波形分析详解

声明：此博客是我的学习笔记，所看课程是江协科技的CAN总线课程，知识点都大同小异，我仅进行总结并加上了我自己的理解，所引案例也都是课程中的案例，希望对你的理解有所帮助！

知识点1【CAN总线的概述】

CAN总线（Controller Area Network Bus）控制器局域网总线

1、特点

• 两根通信线（CAN_H CAN_L），线路少，无需共地

• 差分信号通信，抗干扰能力强

• 异步，无需时钟线，通信速率有收发双方决定

• 半双工

• 可挂载多设备，多设备同时发送需要经过仲裁判断先后顺序

  多个主控互相通信，设备间没有主从之分，所有设备平等

• 11/29位报文ID，用于区分消息功能，同时决定优先级（29位为拓展格式）

• 可配置1-8Byte的有效载荷（长度可以配置）

• 可实现广播式和请求时两种传输方式

  广播式：发送方把数据发送给全部收方，谁要谁就拿走（最常用）

  请求式：发送方不主动发送数据，仅在接收方发出请求的时候，才会发出数据

• 应答，CRC校验，位填充，位同步，错误处理等特征

2、主流通信协议对比

知识点2【CAN总线的硬件电路分析】

每个设备通过CAN收发器挂载在CAN总线网络上

CAN收发器主要实现：电平转换，输出驱动和输入采样几个功能

相接方式：CAN控制器有TX和RX两个引脚，直接与CAN收发器的RX，TX相连，无需交叉。CAN收发器的CAN_H，CAN_L直接与CAN总线的对应引脚直接相连

共有两种硬件电路网络，如下

1、高速CAN电路网络（闭环电路）

电阻的作用

防止回波反射，回波反射的影响：当电平跳变时会在电平边缘，有一个震荡的波形，影响传输数据的稳定性

没有设备操作时，当没有设备操作总线的时候，会将两总线电压“收紧”（讲两线的电压拉至同一水平：对应“1”电平），电阻小，收紧速率快，但是功耗也就会变高。

注意：当设备想要发送1的时候就表示设备不操作总线，发送0则代表设备操作总线，这也是设备发送0和1的方式

我们主要学习高速CAN总线

2、低速CAN电路网络（开环电路）

由于电路没有闭合，因此没有收紧作用，但是有防止回波反射的作用

3、CAN总线的点评标准

CAN总线采用差分信号，即两线电压差（CAN_H-CAN_L）传输数据位

• 高速CAN规定

  电压差为0V表示逻辑1（隐性电平）（收紧）

  电压插为2V表示逻辑0（显性电平）（张开）

• 低俗CAN规定

  • 电压差为-1.5V表示逻辑1（隐性电平）（默认电平CAN_L高于CAN_H）
  • 电压差为3V表示逻辑0（显性电平）（CAN_H高于CAN_L）

时序电路图

4、CAN收发器内部框图

（1）收发器引脚图介绍

• 特点

  1、5V供电

  2、TX，RX分别与 CAN控制器的TX，RX相连

  3、CAN_H，CAN_L与CAN总线相连

  4、Vref 用来配置参考电压，可以不连

  5、S用来配置高速模式还是静默模式，可以不连

（2）硬件图介绍

• TX介绍

  通过①可知默认是发送高电平的，最终是由DRIVER控制其变化的

  当其输出1的时候，T1和T2都是关闭状态，此时由两个25千欧姆的电阻我们可以知道，此时的CAN_H与CAN_L都是0.5VCC，两线压差为0，即表示隐性电平（1）

  其当输出0的时候，T1和T2都是导通状态，此时VCC作用在CAN_H上，GND作用在CAN_L上，此时两线压差为VCC，即表示显性电平（0）

• RX介绍

  ②部分是一个电压反相器，我下面将介绍。我们看RECEIVER，此时

  如果它输出高电平即压差VCC，到电压反相器处，T3截至，T4导通，此时RXD输出低电平（0）

  如果它输出低电平即压差0，到电压反相器处，T3导通，T4截至，此时TXD输出的是VCC（高电平）（1）

知识点3【CAN总线的帧格式】

数据帧：发送设备主动发送设备（广播式）

遥控帧：接收设备主动请求数据（请求式）

错误帧：某个设备检测到错误时向其他设备通知错误

过载帧：接收设备通知其尚未做好接收准备

帧间隔：用于将数据帧和遥控帧与前面的帧分隔开

我们主要学习数据帧，因为数据帧最复杂，且最常用，遥控帧与数据帧类似，可类比学习；错误帧，过载帧，帧间隔初学可不必关心，了解即可

1、数据帧

数据帧分为标准 和 拓展格式，它主要用IDE位区分。下面是标准格式的说明：

（1）SOF（Start of Frame） 1bit

帧起始，表示后面一段波形位传输的数据位

（2）仲裁段：ID + RTR 11bit + 1bit

ID：标识符，区分功能，同时决定优先级

范围：0x000 ~ 0x7FF

RTR：远程请求标志位，用来区分是数据帧（0）还是遥控帧（1）

相同ID的数据帧和遥控帧，数据帧的优先级高于遥控帧，因为数据帧此位为0（0的优先级高于1）

（3）IDE 1bit

IDE：ID拓展标志位，用来区分是标准格式（0）还是拓展格式（1）

（4）r0 1bit

r0：保留位，必须为显性0

0的优先级高，能够标准数据优先级高于以后拓展的优先级

（5）DLC 4bit

DLC：表示数据段的长度，我们前面说有效载荷是1-8字节可以灵活转换，就是通过这一位控制的

（6）数据段 0~64bit

数据段：有效载荷，根据DLC分配长度，总位数需要是8的倍数

（7）CRC 15bit

CRC：循环冗余校验，校验位，15位，我在之前的博客介绍过方法

（8）CRC界定符 1bit

CRC界定符：必须是隐性电平（1）：作为间隔符；保证发送方释放总线控制权

（9）ACK 1bit

ACK槽：应答，当发送方发送完数据的主要内容后，释放总线，总线位隐性状态，接收方收到数据，会在ACK槽这一位，把总线拉开（产生电压差），即显性状态，然后发送方会读取槽的状态——若为0，则说明有接收方，若为1，则说明发送失败，重发（需要配置），或者忽略

注意：此时可以有多个接收方共同操作ACK槽

（10）ACK界定符 1bit

ACK界定符：发送方发送1——目的：作为间隔符；保证接收方应答完后释放总线

（11）EOF

EOF：7个隐性（1），作为帧结束标志

注意事项

通过对数据帧的分析，我们可以知道：

1、数据帧并不是但由发送方单独完成的，而是收发方共同完成的。

2、数据帧是我们发送应答位之前，接收方就已经接收到了数据。即发送方的数据帧还没有结束，接收方就已经接收到了数据。

• 补充：
  • CAN总线数据传输是边发边收，从SOF后，每一位都会立即出现在CAN总线上。并且所有节点（包括目标接收节点和其他节点）在发送的同时又在监听总线。接收节点逐位接收发送节点发来的数据。
  • 我们上面说的是接收方接收到了数据，但仅限于接收到了，接收节点还会对数据进行处理（CRC的校验，位同步，位填充移除等操作），并不意味着 接收节点已经确认数据数据有效，或者 已准备好使用数据，还需要结合其返回的ACK判断

3、CAN总线发送数据是高位先行

扩展格式

拓展格式出现的原因：标准格式的ID不够用了，需要拓展一些

SSR：隐性电平1

为1的原因：优先级低

IDE：隐性电平1，表示是拓展格式

扩展ID是29位的，因此它的范围是0x0000 0000 ~ 0x1FFF FFFF，注意最高位！

下面有具体的案例 这里大家了解就好。

2、遥控帧

遥控帧与数据帧的区别：无数据段，RTR为隐性电平1

无数据段，但是DLC不一定为0，此时的DLC等于它请求的、期望接收方回复的数据帧的数据长度（0-8Byte）

遥控帧的流程：请求方发送发出遥控帧请求数据，遥控帧也是以广播的形式发出，但遥控帧包含请求ID，响应请求的一方通过相同ID识别此帧，并发送数据帧 反馈给请求方。可见遥控帧是一来一回两个过程。

3、错误帧

某个设备检测出错误时，向其他设备通知错误。

错误帧可以叠加在数据帧上，并且可以破坏数据帧的数据——发现此帧数据有误，就会破坏此数据，防止其他设备使用

4、过载帧

当发送方发送数据太快，接收方来不及接收，就会发出此帧。目的是延缓发送方的数据发送，避免数据丢失

由于数据是发送方主动发出的，接收方无法直接调整其发送频率，因此接收方就需要借助此方式 延缓 发送方的发送频率。

即 将数据破坏掉，发送方发不出去，就会重发。在这个发送和破坏的过程中，数据数据频率就被降低了。

它与错误帧的格式相同，但产生条件和代表的含义不同

5、帧间隔

帧间隔也分为主动错误和被动错误状态。

主动错误：帧间隔是3 位

被动错误状态：帧间隔是3 + 8位，进行延迟传输，以减少它发送的速率，并且将其置于仲裁不利的处境，尽量减少此设备干扰总线。

大家只要知道：连续发送数据帧时，会有一段帧间隔就行

知识点4【位填充处理】

1、位填充规则

发送方每发送5个相同电平后，自动追加一个相反电平的填充位，接受方检测到填充位后，会自动移除填充位，恢复原始数据。

2、位填充作用

（1）防止波形长时间不变化，导致接收方不能精确：内部需要借助跳变沿来矫正采样点（误差补偿）；如果数据长时间没有变化，就不会有跳变沿，也就没有了采样点矫正过程，因此时钟偏差一点都会导致数据错误。

（2）将正常数据流 与{”错误帧“ 和”过载帧“}区分开，保证正常数据流不会出现6个即6个以上的相同电平。以保证**”错误帧“ 和”过载帧“**叠加在数据帧之上时立刻就能发现它们。

（3）保证CAN总线在发送正常数据流的活跃状态，防止被误认为总线空闲

CAN总线规定：出现连续11个1后，被认为总线空闲

3、案例说明

注意事项

位填充插入的数据位 会与 后续的数据位合并 进行新的位填充判定

知识点5【具体波形分析】

• 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

  

  再次强调：这里不能是0x888，因为11位最高位只能是7 即最大为0x7FF

大家自行分析，就当练习了，大家可以打印出来，或者转成PDF后分析结合电容笔分析。​​​​​​​