最近在調試一個CAN總線的設備遇到一些問題，簡單總結一下。本文會對CAN總線進行簡單介紹，CAN的硬件鏈路層，協議層，以及調試的一些心得。
什么是CAN總線？
物理層
差分信號
連接方式
CAN節點
CAN協議
如何尋址？
幀類型
數據幀
遠程幀
錯誤幀
過載幀
消息時序以及同步
位時序
波特率
消息過濾器
如何配置？
總結
參考
Controller Area Network，簡稱CAN或者CAN bus) 是一種功能豐富的串行總線標準，最早的CAN控制芯片在奔馳車上應用并量產，因為支持多主機，多從機的優點，所以一輛車所有控制器，傳感器，電子設備直接的通信只需要兩條線就夠了，大大優化了整車的布線。[^wiki can bus]
隨著技術的不斷發展，CAN發布了相應的標準，國際化標準組織，公布了CAN的不同標準；
| 標準 | 涵蓋內容 |
|---|---|
| ISO 11898-1 | 數據鏈路層 |
| ISO 11898-2 | 高速CAN的物理層 |
| ISO 11898-3 | 低速容錯CAN的物理層 |
ISO 11898-1?，ISO 11898-2是對應的設計標準，去搜索就可以知道這個技術點是如何進行設計的。
這里我們介紹一下物理層，什么是物理層呢？就是CAN的電信號的傳輸過程。CAN是串行異步通訊，只有CAN_HIGH和CAN_LOW兩條差分信號線，數據通過差分信號的方式進行通訊，其優點就是可以增加信號的抗干擾能力，抑制共模信號的干擾；
具體如下圖所示；
所以，信號在變成一個字節一個字節的數字信號之前，就是按照這種差分形式的模擬信號來傳輸的。
我們可以簡單地理解一下，當CAN_HIGH減去CAN_LOW大于某個閾值的時候，可以把它當做邏輯高，反之，當小于某一個閾值時，就變成邏輯低。
下面我們再來看看CAN總線設備之間是如何連接的。
CAN總線支持多個節點掛載在總線上，比較類似I2C總線，可以在SCL和SDA上掛載多個從機，具體如下圖所示；
不過CAN總線其實沒有主從的概念，每個設備都是一個節點（Node），節點直接可以相互通訊，相較于I2C總線，CAN總線設置了終端電阻，常見的一種閉環連接模式，相對的還有開環的連接模式。
不同的連接模式，他們的通訊速率也大不相同，這里也就是高速CAN和低速CAN的區別。
兩條電線組成一條雙絞線，并且接有120Ω的特性阻抗。ISO 11898-2，也稱為高速度CAN。它在總線的兩端均接有120Ω電阻。
使用了120Ω終端電阻（這是CAN的ISO標準里規定的），這種模式的最高通訊速率可以達到1Mbps，下面是傳輸距離和傳輸速度的關系；
高速CAN的拓撲結構具體如下所示；
還有一種是低速CAN，或者也叫做容錯CAN，低速容錯 CAN 總線將通訊的最大帶寬從 1 Mbps 降低到 125 Kbps，并且不再在總線的起點和終點使用兩個終端電阻，而是將電阻分布在每個節點上。具體如下圖所示；
由于高速CAN和低速CAN的拓撲結構不同，另外終端電阻的分布也不同，所以CAN_HIGH和CAN_LOW上的電平是不相同的，這里有隱性電平和顯性電平。
硬件上的連接基本上都搞清楚了，下面就是如何去實現一個具體的CAN節點。我們來簡單地介紹一下。
CAN節點通常分為三個部分；
通常一些單片機內部就集成了相應的CAN控制器外設，比如我們比較常用的單片機——STM32，所以我們常見的結構一般是這樣子的。
所以整體的流程是這樣的，如下：
那么，對于單片機開發者而言，需要關注的就是最終CAN控制器傳輸給MCU的數據，如何去配置CAN控制器，以及使用CAN控制進行數據的讀取和發送。
既然這樣，我們就不得不去了解一下CAN總線的通信原理，如何尋址，上層協議如何規定的。
CAN協議和網絡協議比較類似，進行了分層的設計思想；
按照我的理解；
CANopen，汽車診斷ISO 14229 定義的UDS等等；CAN總線上的每個節點不需要設置節點的地址，而是通過消息的標識符（Identifier）來區別信息。因為CAN總線的消息是廣播的（就是大家都可以收到消息），比如總線上有節點A，節點B，節點C，那么節點A發消息，節點B和節點C都會收到消息；
節點B 和 節點C 會根據消息中的標識符，以及B和C中的消息過濾規則進行比較，如果不滿足規則，就不接受這條信息。
這里需要注意的是：
在這里我們已經了解如何尋址，下面就看一下消息幀了。
CAN有4種幀類型：
這里我們有必要重點了解一下數據幀，下面繼續介紹各種幀之間的區別。
數據幀分為標準幀和擴展幀兩種格式；
數據幀的結構具體如下所示；
簡單介紹一下數據幀的細節；
sof：start of frame，表示數據幀開始；（1 bit）
Identifier：標準格式11 bit，擴展格式29 bit包括Base Identifier（11 bit）和Extended Identifier（18 bit），該區段標識數據幀的優先級，數值越小，優先級越高；
RTR：遠程傳輸請求位，0時表示為數據幀，1表示為遠程幀，也就是說RTR=1時，消息幀的Data Field為空；（1 bit）
IDE：標識符擴展位，0時表示為標準格式，1表示為擴展格式；（1 bit）
DLC：數據長度代碼，0~8表示數據長度為0~8 Byte；（4 bit）
Data Field：數據域；（0~8 Byte）
CRC Sequence：校驗域，校驗算法,
DEL：校驗域和應答域的隱性界定符；（1 bit）
ACK：應答，確認數據是否正常接收，所謂正常接收是指不含填充錯誤、格式錯誤、 CRC 錯誤。發送節點將此位為1，接收節點正常接收數據后將此位置為0；（1 bit）
SRR：替代遠程請求位，在擴展格式中占位用，必須為1；（1 bit）
EOF：連續7個隱性位（1）表示幀結束；（7 bit）
ITM：幀間空間，Intermission (ITM)，又稱Interframe Space (IFS)，連續3個隱性位，但它不屬于數據幀。幀間空間是用于將數據幀和遠程幀與前面的幀分離開來的幀。數據幀和遠程幀可通過插入幀間空間將本幀與前面的任何幀（數據幀、遙控幀、錯誤幀、過載幀）分開。過載幀和錯誤幀前不能插入幀間空間。
一般地，數據是由發送單元主動向總線上發送的，但也存在接收單元主動向發送單元請求數據的情況。遠程幀的作用就在于此，它是接收單元向發送單元請求發送數據的幀。遠程幀與數據幀的幀結構類似，如上圖X所示。遠程幀與數據幀的幀結構區別有兩點：
遠程幀的 DLC 塊表示請求發送單元發送的數據長度（Byte）。當總線上具有相同標識符的數據幀和遠程幀同時發送時，由于數據幀的 RTR 位是顯性的，數據幀將在仲裁中贏得總線控制權。
用于在接收和發送消息時檢測出錯誤時，通知錯誤的幀。錯誤幀由錯誤標志和錯誤界定符構成。錯誤幀的幀結構如圖11示。
錯誤標志：
個顯性/隱性重疊位
錯誤界定符：8 個隱性位
過載幀是用于接收單元通知發送單元它尚未完成接收準備的幀。在兩種情況下，節點會發送過載幀：
每個節點最多連續發送兩條過載幀。過載幀由過載標志和過載界定符（8 個隱性位）構成。數據幀的幀結構如圖12所示。
這里基本把幀介紹完了，但是每個節點之間的通訊，我們如何知道這一幀開始接收了，這一幀已經接收結束了呢？下面就需要了解一下消息的時序和消息同步的方法。
在講CAN消息時序和同步之前，我們可以對照一下UART串口的傳輸協議，他有起始位和停止位，然后大家都規定使用相同的通訊速率（波特率）；
其實CAN通訊也是類似的方式，它屬于異步通訊，沒有時鐘信號線，所以所有節點之間要約定好使用相同的波特率來傳輸數據。
在總線空閑一段時間后，在（起始位） 進行硬同步，同步方式是將每一位劃分成多個稱為量子的時間段（time quanta），并分配一定數量的量子到位中的四個階段完成的。
這四個階段分別為：
SYNC_SEG：同步段，1 個時間量子長度。它用于同步各種總線節點；PROP_SEG：傳播段，1~8 時間量子長度。它用于補償網絡上的信號延遲。PHASE_SEG_1：相位緩沖段1，1~8 時間量子長度。它用于補償邊緣相位誤差，在重新同步期間可能會延長。PHASE_SEG_2：相位緩沖段2，2~8 時間量子長度。它用于補償邊緣相位誤差具體如下圖所示；
如何計算波特率，需要知道每個量子時間的長度（time quanta），以及每一位需要多少個量子時間，
假設這里time quanta = 1us ，并且1 bit = 8 tq，那么上圖中的波特率就應該是：
前面有提到消息在CAN總線上是廣播式的，但并不是所有節點都會對總線上所有消息感興趣。節點通過控制器中過濾碼（Filter Code ）和掩碼（Mask Code），再檢驗總線上消息的標識符，來判斷是否接收該消息（Message Filtering）。
對于掩碼，“1”表示該位與本節點相關，“0”表示該位與本節點不相關。舉例如下：
例1：僅接收消息標識符為00001567（十六進制）的幀
000015671FFFFFFF節點檢測消息的標識符的所有位（29位），如果標識符為00001567接收，否則舍棄。
例2：接收消息標識符為00001567 到0000156F 的幀
000015601FFFFFF0節點檢測消息的標識符的高25位，最低的4位則不care。如果標識符最高25位相同則接收，否則舍棄。
例3：接收消息標識符為00001560 到 00001567 的幀
000015601FFFFFF8節點檢測消息的標識符的高26位，最低的3位則不care。如果標識符最高26位相同則接收，否則舍棄。
例4：接收所有消息幀幀
00節點接收總線上所有消息。
上面介紹了幀類型，那么如何基于MCU進行配置呢？這里以STM32F407為硬件平臺，使用HAL庫進行初始化，看一下都對哪些地方進行了配置。一般來說，我們需要配置CAN的波特率，消息過濾器等等，下面是簡單的配置的代碼；
CAN_HandleTypeDef?hCAN;
void?MX_CAN_Init(void)
{
????CAN_FilterTypeDef???sFilterConfig;
????/*CAN單元初始化*/
????hCAN.Instance?=?CAN1;??????/*?CAN外設?*/
?
????/*?BTR-BRP?波特率分頻器??定義了時間單元的時間長度42/(1+6+7)/6=500Kbps?*/
????hCAN.Init.Prescaler?=?6;
????hCAN.Init.Mode?=?CAN_MODE_NORMAL;???/*?正常工作模式?*/
????hCAN.Init.SyncJumpWidth?=?CAN_SJW_1TQ;??/*?BTR-SJW?重新同步跳躍寬度?1個時間單元?*/
????hCAN.Init.TimeSeg1?=?CAN_BS1_6TQ;???/*?BTR-TS1?時間段1?占用了6個時間單元?*/
????hCAN.Init.TimeSeg2?=?CAN_BS2_7TQ;???/*?BTR-TS1?時間段2?占用了7個時間單元?*/
????hCAN.Init.TimeTriggeredMode?=?DISABLE;??/*?MCR-TTCM??關閉時間觸發通信模式使能?*/?
????hCAN.Init.AutoBusOff?=?ENABLE;????/*?MCR-ABOM??自動離線管理?*/
????hCAN.Init.AutoWakeUp?=?ENABLE;????/*?MCR-AWUM??使用自動喚醒模式?*/
????hCAN.Init.AutoRetransmission?=?DISABLE;??/*?MCR-NART??禁止報文自動重傳???DISABLE-自動重傳?*/
????/*?MCR-RFLM??接收FIFO?鎖定模式??DISABLE-溢出時新報文會覆蓋原有報文?*/
????hCAN.Init.ReceiveFifoLocked?=?DISABLE;??
????/*?MCR-TXFP??發送FIFO優先級?DISABLE-優先級取決于報文標示符?*/
????hCAN.Init.TransmitFifoPriority?=?DISABLE;?
????if?(HAL_CAN_Init(&hCAN)?!=?HAL_OK)
????{
????????//Error_Handler();
????}
?//?初始化發送器
?hCAN1_TxMessage.IDE?=?CAN_ID_STD;
?hCAN1_TxMessage.RTR?=?CAN_RTR_DATA;
?hCAN1_TxMessage.TransmitGlobalTime?=?ENABLE;
?
?//?初始化濾波器?設置為0?則不對消息進行過濾
????hCAN1_Filter.FilterIdHigh???????????????=?0;??/*?要過濾的ID高位?*/
????hCAN1_Filter.FilterIdLow????????????????=?0;??/*?要過濾的ID低位?*/
????hCAN1_Filter.FilterMaskIdHigh??????????=?0;??/*?過濾器高16位每位必須匹配?*/
????hCAN1_Filter.FilterMaskIdLow????????????=?0;??/*?過濾器低16位每位必須匹配?*/
????hCAN1_Filter.FilterFIFOAssignment???=?CAN_FILTER_FIFO0;/*?過濾器被關聯到FIFO?0?*/
????hCAN1_Filter.FilterBank?????????????????=?0;
????hCAN1_Filter.FilterMode?????????????????=?CAN_FILTERMODE_IDMASK;?/*?工作在標識符屏蔽位模式?*/
????hCAN1_Filter.FilterScale????????????????=?CAN_FILTERSCALE_32BIT;??/*?過濾器位寬為單個32位。*/
????hCAN1_Filter.FilterActivation????????=?ENABLE;
????hCAN1_Filter.SlaveStartFilterBank???=?0;?
?
?HAL_CAN_ConfigFilter(&hCAN,?&hCAN1_Filter);
?
?while(HAL_CAN_Start(&hCAN)?!=?HAL_OK?)
?{
??printf("\nCAN_Start?Failed!!");
??HAL_Delay(100);
?}
?HAL_CAN_ActivateNotification(&hCAN,?CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);
}
下面是CAN發送的函數，我們需要自己構建相應的消息幀格式，通常需要設置消息幀的ID格式，消息長度，具體如下；
void?CAN_TxMessage(CAN_HandleTypeDef?*hcan,uint16_t?ID?,uint8_t?aData[],?uint8_t?DLC)
{
????uint32_t?Tx_MailBox;
????/*-1-?配置數據段長度?----------------------------------------*/?
?hCAN1_TxMessage.IDE??=???CAN_ID_STD;
?hCAN1_TxMessage.RTR??=???CAN_RTR_DATA;
?hCAN1_TxMessage.StdId?=???ID;
????hCAN1_TxMessage.DLC?????=????DLC;??
?hCAN1_TxMessage.TransmitGlobalTime?=?ENABLE;
????/*-2-?發送aData?---------------------------------------------*/
????while(HAL_CAN_AddTxMessage(hcan,?&hCAN1_TxMessage,?aData,?&Tx_MailBox)?!=?HAL_OK)
????{
????????HAL_Delay(5);
????}
}
上述代碼設置發送消息：
CAN_ID_STD設置為標準ID；CAN_RTR_DATA設置消息為數據幀；StdId為當前消息的ID；DLC為當前消息的長度；整體可以參考前面介紹的消息幀格式，篇幅有限，這里就先簡單的介紹一下。
本文對CAN總結進行了簡單的介紹，CAN通訊的特點可以總結如下；
芯片IC附近為什么放0.1uF的電容？1uF不行嗎？
電路中的大力士 自舉電路原理
多層PCB內部長啥樣? 3D大圖解析高端PCB板的設計工藝
PCB Layout不僅細致，還煩人！
電感為什么越并越小
電路噪聲原來是這么回事
電路噪聲原來是這么回事
詳解RS-485總線，你都學會了嗎？
