【车载开发系列】CAN通信总线再理解（中篇）

九. CAN总线标准

• CAN总线标准有两个，即ISO11898和ISO11519，两者差分电平特性不同。

1. ISO11898高低电平幅度低(高电压3.5V，低电压1.5V)，对应的传输速度快，所以适用于高速CAN；
2. ISO11519高低电平幅度大(高电压4.0V，低电压1.0V)，对应的传输速度慢些，所以适用于低速CAN；

十. CAN物理层

1. 多个节点连接，只要有一个为低电平，总线就为低电平，只有所有节点输出高电平时，才为高电平。所谓"线与"。
2. CAN总线有5个连续相同位后，就插入一个相反位，产生跳变沿，用于同步。从而消除累积误差。
3. CAN的传输速度与距离成反比。
4. CAN总线上的终端电阻是120Ω，因为电缆的特性阻抗为120Ω，为了模拟无限远的传输线

十一. CAN数据链路层

1）CAN的通信帧类型

• CAN总线传输的是CAN帧，CAN的通信帧分成五种，分别为数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。

帧类型	英文	帧作用
数据帧	Data Frame	用于发送单元向接收单元传送数据的帧，使用最多的帧类型
遥控帧	Remote Frame	用于接收单元向具有相同ID的发送单元请求数据的帧
错误帧	Error Frame	用于当检测出错时向其他单元通知用的错误的帧
过载帧	Overload Frame	用于接收单元告诉发送单元，通知其尚未做好接收准备的帧
间隔帧	Inter Frame Space	用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧

2）CAN的标准帧格式

位名	位名	位数	说明
SOF	起始位	1位	是一个显性电平逻辑0
Identifier(ID)	仲裁段(识别码)	11/29位	用来确定数据信息发送给那个设备，每一个设备都有一个属于自己的识别码，11 位标识符的帧称为标准格式，而具有29位标识符的帧为扩展格式
RTR	仲裁段(RTR位)	1位	用来区分数据帧(0)或者远程请求帧(1)
SRR※	仲裁段(SRR位)	1位	只用在扩展格式，替代RTR；不是扩展模式不需要这个
IDE	控制段(IDE位)	1位	用来区分标准帧(0)还是拓展帧(1)
R0	控制段(空闲位)	1位	保留位
DLC	控制段(DLC)	4位	用来控制数据长度
Data Field	数据段	8-64位	数据的内容。DLC为1时数据码8位(标准CAN)，为8时数据码64位(CAN FD)
CRC15	CRC码	15位	15位CRC位+1位CRC界定符，循环冗余校验码，检测到错误时会自动重传
DEL	CRC界定位	1位	1位CRC界定符，为了把后面信息隔开
ACK	应答位(ACK码)	1位	接收站使用应答位来表示是否已正确接收报文
DEL	应答位(ACK界定位)	1位	一个隐性的位，为了把后面信息隔开
EOF	结束位	7位	表示数据帧传输结束，7个隐形信号

1. CAN ID

CAN帧中包含ID，在数据链路层只起到优先级判断的作用。ID的数值越小，CAN帧的优先级越高，会获得总线控制权。多节点同时开始发送数据时，按照电路设计，ID按每一bit传输时，ID小的数据会覆盖ID大的值，即0&1=0，此时只要判断到自己发出的bit1实际是收到bit0，就停止发送后续的bit，稍后重试。
CAN ID值的业务意义由应用层决定。一种典型用法是，部分bit代表消息类型，部分bit代表发送者设备，即ID和设备绑定。只要ID的前几bit代表设备号，后几bit代表业务值，就能兼顾优先级判断的规范。

2. 数据场

数据场是放高层业务数据的地方。
数据链路层协议只规定了一帧的格式，数据跨越多帧的情况由应用层协议实现拆包和重组。
经典CAN，数据场最多8bytes；CAN FD最多64bytes；CAN XL最多2048bytes，即一帧可以有更多业务数据。当一帧的业务数据量>8且
003C64时，用CAN FD就不需要在业务层把数据拆成多帧和重组了，这也提升了性能。

3）CAN总线仲裁

1. CAN总线仲裁是通过优先级决定的。
2. CAN总线处于空闲状态时，最先发送消息的单元获得发送权。
3. 多个单元同时开始发送时，从仲裁段(报文ID)的第一位开始进行仲裁。连续输出显性电平最多的单元可继续发送，即首先出现隐形电平的单元失去对总线的占有权变为接收。
4. 仲裁段(识别码Identifier)值越小，说明显性电平（逻辑0）越多，那么优先级越高。
5. 仲裁失败的单元，会自动检测总线空闲，在第一时间再次尝试发送。
   

• 该仲裁机制是利用“如果总线上同时出现显性电平和隐形电平，总线的状态会被置为显性电平”这个特性进行仲裁。

十二. CAN应用层

狭义的CAN，指的是物理层和数据链路层。简单地以“CAN”作为关键字去搜索，都是这两层的知识，而广义的CAN，包括应用层协议，主流有以下3种。

1）CANopen

基于CAN2.0A定义的标准帧，由CiA提出和维护。最初是为工业自动化设计的，但很快应用在了其它领域

2）J1939

基于CAN2.0B定义的扩展帧，由SAE提出。多用于重型机械，如大巴、挖掘机、拖拉机、坦克、消防车等。

3）DeviceNet

基于CAN2.0A定义的标准帧，由美国的Allen-Bradley公司所开发。主要应用包括资讯交换、安全设备及大型控制系统，在美国的市场占有率较高。比起CANopen，对物理层的要求更严格，从而使得不同厂商的设备更通用。