28：CAN总线入门一：CAN的基本介绍

1、CAN总线简介和硬件电路

1.1、CAN简要介绍

CAN总线是一种简洁易用、传输速度快、易扩展、可靠性高的串行通信总线，广泛应用于汽车、嵌入式、工业控制等领域。

• 总线的特点：

  两根通信线（CAN_H、CAN_L），线路少
  差分信号通信，抗干扰能力强
  高速CAN（ISO11898）：125k~1Mbps, <40m
  低速CAN（ISO11519）：10k~125kbps, <1km
  异步，无需时钟线，通信速率由设备各自约定
  半双工，可挂载多设备，多设备同时发送数据时通过仲裁判断先后顺序
  11位/29位报文ID，用于区分消息功能，同时决定优先级
  可配置1~8字节的有效载荷
  可实现广播式和请求式两种传输方式
  应答、CRC校验、位填充、位同步、错误处理等特性
  

1.2、硬件电路

1. 连接节点
   
   单片机将数据信号(0/1)通过TX传输到CAN收发器，收发器将传输来的信号进行判断处理成差分信号电压差，逻辑1和逻辑0的差分信号电压差是不同的，然后减差分信号传输到CAN总线上。

2. 高速CAN
   
   如上图所示：
   ①每个设备通过CAN收发器挂载在CAN总线网络上
   ②CAN控制器引出的TX和RX与CAN收发器相连，CAN收发器引出的
   ③CAN_H和CAN_L分别与总线的CAN_H和CAN_L相连
   ④高速CAN使用闭环网络，CAN_H和CAN_L两端添加120Ω的终端电阻
   ⑤单片机将数据信号(0/1)通过TX传输到CAN收发器，收发器将传输来的信号进行处理成差分信号，然后传输到CAN总线上
   ⑥高速CAN的数传输速率快，但是传输的距离断，最远只有40m

3. 低速CAN
   
   如上图所示：
   ①低速CAN使用开环网络，CAN_H和CAN_L其中一端添加2.2kΩ的终端电阻
   ②低速CAN的数据传输慢，但是传输的距离远，可以传输1km

1.3、CAN总线的电平标准

单片机将数据信号(0/1)通过TX传输到CAN收发器，收发器将传输来的信号进行处理成差分信号，然后传输到CAN总线上。而这差分信号即2线上面的电压差（Vcan_H - Vcan_L）。传输规定：若Vcan_H - Vcan_L 小于等于0，就代表总线上为逻辑电平1；若Vcan_H - Vcan_L 大于0，就代表总线上为逻辑电平0；
如下图所示：


为什么CAN总线使用的是差分信号喃？
最主要的原因就是抗干扰的能力强，传统的传输使用的是单端信号：一根信号线和一根地线，比如串口通信UART。信号线对比地线的电压来传输逻辑电平是1还是0，比如对比地线电压是3.3v，那么传输的信号是逻辑1，对比地线电压是0v，那么传输的信号是逻辑0。若在传输的过程中被电磁信号干扰由0v变为3.3v，发送端发送的是逻辑0，而接收端接收的是被干扰后的逻辑1。而CAN总线采用差分信号就是为了避免这种干扰。
例如下图所示：

如图所示：虽然存在干扰信号，但是干扰使得Vcan_H和Vcan_L的电平增量是一样大的，而逻辑电平是由他们的电压差决定的，所以干扰后，他们的电压差是不变的，即逻辑电平也是不变的。（前提是差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线）

2、帧格式

1、CAN总线是广播类型的总线。这意味着所有节点都可以侦听到所有传输的报文。无法将报文单独发送给指定节点；所有节点都将始终捕获所有报文。但是CAN硬件能够提供本地过滤功能，让每个节点对报文有选择性地做出响应。
2、CAN总线上有5种不同的报文类型（或“帧”）：数据帧，远程帧，错误帧，过载帧和帧间隔。其中错误帧、过载帧、帧间隔都是由硬件自动完成的，没有办法用软件来控制。对于一般使用者来说，只需要掌握数据帧与遥控帧。数据帧和遥控帧有标准格式与扩展格式。标准格式有11位标识符，扩展格式有29位标识符。

2.1、数据帧（掌握）

数据帧由2中帧格式：标准帧和扩展帧

1. 标准帧
   
2. 扩展帧
   SRR位代替RTR位，因为RTR挪到后面去了，SRR为隐形1
   IDE位用于区分标准帧和扩展帧，若为扩展帧，则IED为隐形1
   和标准帧进行对比，扩展帧多了SRR，ID多了7位，R1,R0。

数据帧总结如下：

2.2、遥控帧（掌握）

2.3、错误帧（了解）

总线上所有设备都会监督总线的数据，一旦发现“位错误”或“填充错误”或“CRC错误”或“格式错误”或“应答错误” ，这些设备便会发出错误帧来破坏数据，同时终止当前的发送设备

2.4、过载帧（了解）

当接收方收到大量数据而无法处理时，其可以发出过载帧，延缓发送方的数据发送，以平衡总线负载，避免数据丢失

发送6位显性电平0拉开电位，让发送方发送不了数据到CAN总线上面，主要延缓了发送方的数据发送

2.5、帧间隔（了解）

将数据帧和遥控帧与前面的帧分离开，即连续发送的数据帧之间有帧间隔。

2.6、位填充（掌握）

3、位同步

位时序：为了灵活调整每个采样点的位置，使采样点对齐数据位中心附近，CAN总线对每一个数据位的时长进行了更细的划分，分为同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相位缓冲段1（PBS1）和相位缓冲段2（PBS2），每个段又由若干个最小时间单位（Tq）构成。

3.1、硬同步

每个设备都有一个位时序计时钟秒表，秒表一圈的时间正好也是一位数据的发送时间，而秒表的时钟也被分为和数据位相同的4个区域。发送设备每发送一位数据，秒表也正好转动一圈，并且数据位的每一段和秒表的时区一一对应。如下图所示：

当某个设备（发送方）率先发送报文，其他所有设备（接收方）收到SOF的下降沿时，接收方会将自己的位时序计时周期拨到SS段的中间位置，秒表时区与数据位的每段保持同步。

接收设备是看这个秒表进行对数据采样的，每当秒表的秒钟指向PBS1和PBS2时间段之间，设备就开始对数据位采样一次，如果数据位与秒表时区段对齐了，那么每次采样都是准确的数据位。若数据位与时区没有对齐，那么可能采样的数据不准确。如下图所示：

如果没有对齐，如上图所示：若接收设备接收到数据位的PBS1时，设备秒表却指向SS，当再过5.5个Tq时间后，设备接收到正好是数据位的变化，而设备秒表却指向了PBS1和PBS2之间，此时正好是采样时间，所以此时采样到的是电平跳变，那么采样到的数据是0还是1喃？这不能确定，所以这存在着很大的误差。

3.2、再同步

若发送方或接收方的时钟有误差，随着误差积累，数据位边沿逐渐偏离SS段，则此时接收方根据再同步补偿宽度值（SJW=1~4Tq）通过加长PBS1段，或缩短PBS2段，以调整同步。例如接收设备的秒表指针转动慢一些，当接收设备接收到下一位数据的跳变边沿时，设备秒表的秒钟却还没有指向SS中心。如下图所示：

想要解决这种误差，那么就将PBS2缩短即可，缩短到秒针正好指向SS中心。

4、仲裁

CAN总线只有一对差分信号线，同一时间只能有一个设备操作总线发送数据，若多个设备同时有发送需求，该如何分配总线资源？解决的方法是1、先占先得。2、非破坏性仲裁。

4.1、先占先得

4.2、非破坏性仲裁

当2个设备同时给总线发送数据时，都发送的是标准帧格式，那么通过仲裁段的数据来判断谁能成为赢家。如下图所示：

4.3、数据帧与遥控帧

4.4、标准帧与扩展帧

总结：不论标准帧与扩展帧进行对比，还是数据帧与遥控帧对比。他们的仲裁结果都是按照上面的仲裁规则而得出的。