CAN 協議詳解

CAN 是控制器局域網絡 (Controller Area Network) 的簡稱，它是由研發和生產汽車電子產品著稱的德國 BOSCH 公司開發的，並最終成爲國際標準 (ISO11519 以及 ISO11898), 是國際上應用最廣泛的現場總線之一。差異點如下：

CAN 總線協議已經成爲汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線，並且擁有以 CAN 爲底層協議專爲大型貨車和重工機械車輛設計的 J1939 協議。近年來，它具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用於汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強及振動大的工業環境。

我們來貼圖一個車載網絡構想圖

1.2 CAN 物理層

與 I2C、SPI 等具有時鐘信號的同步通訊方式不同，CAN 通訊並不是以時鐘信號來進行同步的，它是一種異步通訊，只具有 CAN_High 和 CAN_Low 兩條信號線，共同構成一組差分信號線，以差分信號的形式進行通訊。我們來看一個示意圖

1.2.1 閉環總線網絡

CAN 物理層的形式主要有兩種，圖中的 CAN 通訊網絡是一種遵循 ISO11898 標準的高速、短距離 “閉環網絡”，它的總線最大長度爲 40m，通信速度最高爲 1Mbps，總線的兩端各要求有一個“120 歐” 的電阻。

1.2.2 開環總線網絡

圖中的是遵循 ISO11519-2 標準的低速、遠距離 “開環網絡”，它的最大傳輸距離爲 1km，最高通訊速率爲 125kbps，兩根總線是獨立的、不形成閉環，要求每根總線上各串聯有一個“2.2 千歐” 的電阻。

1.2.3 通訊節點

從 CAN 通訊網絡圖可瞭解到，CAN 總線上可以掛載多個通訊節點，節點之間的信號經過總線傳輸，實現節點間通訊。由於 CAN 通訊協議不對節點進行地址編碼，而是對數據內容進行編碼的，所以網絡中的節點個數理論上不受限制，只要總線的負載足夠即可，可以通過中繼器增強負載。

CAN 通訊節點由一個 CAN 控制器及 CAN 收發器組成，控制器與收發器之間通過 CAN_Tx 及 CAN_Rx 信號線相連，收發器與 CAN 總線之間使用 CAN_High 及 CAN_Low 信號線相連。其中 CAN_Tx 及 CAN_Rx 使用普通的類似 TTL 邏輯信號，而 CAN_High 及 CAN_Low 是一對差分信號線，使用比較特別的差分信號，下一小節再詳細說明。

當 CAN 節點需要發送數據時，控制器把要發送的二進制編碼通過 CAN_Tx 線發送到收發器，然後由收發器把這個普通的邏輯電平信號轉化成差分信號，通過差分線 CAN_High 和 CAN_Low 線輸出到 CAN 總線網絡。而通過收發器接收總線上的數據到控制器時，則是相反的過程，收發器把總線上收到的 CAN_High 及 CAN_Low 信號轉化成普通的邏輯電平信號，通過 CAN_Rx 輸出到控制器中。

例如，STM32 的 CAN 片上外設就是通訊節點中的控制器，爲了構成完整的節點，還要給它外接一個收發器，在我們實驗板中使用型號爲 TJA1050 的芯片作爲 CAN 收發器。CAN 控制器與 CAN 收發器的關係如同 TTL 串口與 MAX3232 電平轉換芯片的關係， MAX3232 芯片把 TTL 電平的串口信號轉換成 RS-232 電平的串口信號，CAN 收發器的作用則是把 CAN 控制器的 TTL 電平信號轉換成差分信號 (或者相反) 。

目前有以下 CAN 電平轉換芯片（不全）

我們來用 TJA1050 來看下原理圖：

1.2.4 差分信號

差分信號又稱差模信號，與傳統使用單根信號線電壓表示邏輯的方式有區別，使用差分信號傳輸時，需要兩根信號線，這兩個信號線的振幅相等，相位相反，通過兩根信號線的電壓差值來表示

邏輯 0 和邏輯 1。見圖，它使用了 V+ 與 V - 信號的差值表達出了圖下方的信號。

相對於單信號線傳輸的方式，使用差分信號傳輸具有如下優點：

• 抗干擾能力強，當外界存在噪聲干擾時，幾乎會同時耦合到兩條信號線上，而接收端只關心兩個信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

舉一個例子，正常的單線假設邏輯 1 是 3.3V，邏輯 0 假設是 0V，但是如果有噪聲，把 3.3V 弄成了 0V(極端)，把 0V 弄成了 - 3.3V，此時就邏輯錯誤，但是有 Can 高 / Can 低一般都作用於兩根線，所以兩個雖然都有噪聲影響，但是差值還是不變的

• 能有效抑制它對外部的電磁干擾，同樣的道理，由於兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

舉一個例子，假設一根是 10V，一根是 - 10V，單跟都會對外部造成電磁干擾，但是 CAN 可以把線擰在一起，跟編麻花一樣，可以互相抵消電子干擾

• 時序定位精確，由於差分信號的開關變化是位於兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合於低幅度信號的電路。

由於差分信號線具有這些優點，所以在 USB 協議、485 協議、以太網協議及 CAN 協議的物理層中，都使用了差分信號傳輸。

1.2.5 CAN 協議中的差分信號

CAN 協議中對它使用的 CAN_High 及 CAN_Low 表示的差分信號做了規定，見表及圖。以高速 CAN 協議爲例，當表示邏輯 1 時 (隱性電平) ，CAN_High 和 CAN_Low 線上的電壓均爲 2.5v，即它們的電壓差 VH-V:sub:L=0V；而表示邏輯 0 時 (顯性電平) ，CAN_High 的電平爲 3.5V，CAN_Low 線的電平爲 1.5V，即它們的電壓差爲 VH-V:sub:L=2V。例如，當 CAN 收發器從 CAN_Tx 線接收到來自 CAN 控制器的低電平信號時 (邏輯 0)，它會使 CAN_High 輸出 3.5V，同時 CAN_Low 輸出 1.5V，從而輸出顯性電平表示邏輯 0 。

在 CAN 總線中，必須使它處於隱性電平 (邏輯 1) 或顯性電平 (邏輯 0) 中的其中一個狀態。假如有兩個 CAN 通訊節點，在同一時間，一個輸出隱性電平，另一個輸出顯性電平，類似 I2C 總線的 “線與” 特性將使它處於顯性電平狀態，顯性電平的名字就是這樣來的，即可以認爲顯性具有優先的意味。

由於 CAN 總線協議的物理層只有 1 對差分線，在一個時刻只能表示一個信號，所以對通訊節點來說，CAN 通訊是半雙工的，收發數據需要分時進行。在 CAN 的通訊網絡中，因爲共用總線，在整個網絡中同一時刻只能有一個通訊節點發送信號，其餘的節點在該時刻都只能接收。

1.3 CAN 協議層

1.3.1 CAN 的波特率及位同步

由於 CAN 屬於異步通訊，沒有時鐘信號線，連接在同一個總線網絡中的各個節點會像串口異步通訊那樣，節點間使用約定好的波特率進行通訊，特別地， CAN 還會使用 “位同步” 的方式來抗干擾、吸收誤差，實現對總線電平信號進行正確的採樣，確保通訊正常。

1.3.2 位時序分解

爲了實現位同步，CAN 協議把每一個數據位的時序分解成如圖 所示的 SS 段、PTS 段、PBS1 段、PBS2 段，這四段的長度加起來即爲一個 CAN 數據位的長度。分解後最小的時間單位是 Tq，而一個完整的位由 8~25 個 Tq 組成。爲方便表示，圖 中的高低電平直接代表信號邏輯 0 或邏輯 1(不是差分信號)。

該圖中表示的 CAN 通訊信號每一個數據位的長度爲 19Tq，其中 SS 段佔 1Tq， PTS 段佔 6Tq， PBS1 段佔 5Tq， PBS2 段佔 7Tq。信號的採樣點位於 PBS1 段與 PBS2 段之間，通過控制各段的長度，可以對採樣點的位置進行偏移，以便準確地採樣。

各段的作用如介紹下：

• SS 段 (SYNC SEG)

SS 譯爲同步段，若通訊節點檢測到總線上信號的跳變沿被包含在 SS 段的範圍之內，則表示節點與總線的時序是同步的，當節點與總線同步時，採樣點採集到的總線電平即可被確定爲該位的電平。SS 段的大小固定爲 1Tq。

• PTS 段 (PROP SEG)

PTS 譯爲傳播時間段，這個時間段是用於補償網絡的物理延時時間。是總線上輸入比較器延時和輸出驅動器延時總和的兩倍。PTS 段的大小可以爲 1~8Tq。

• PBS1 段 (PHASE SEG1)，

PBS1 譯爲相位緩衝段，主要用來補償邊沿階段的誤差，它的時間長度在重新同步的時候可以加長。PBS1 段的初始大小可以爲 1~8Tq。

• PBS2 段 (PHASE SEG2)

PBS2 這是另一個相位緩衝段，也是用來補償邊沿階段誤差的，它的時間長度在重新同步時可以縮短。PBS2 段的初始大小可以爲 2~8Tq。

1.3.3 通訊的波特率

總線上的各個通訊節點只要約定好 1 個 Tq 的時間長度以及每一個數據位佔據多少個 Tq，就可以確定 CAN 通訊的波特率。

例如，假設上圖中的 1Tq=1us，而每個數據位由 19 個 Tq 組成，則傳輸一位數據需要時間 T1bit=19us，從而每秒可以傳輸的數據位個數爲：1x10 次方 / 19 = 52631.6 (bps)

這個每秒可傳輸的數據位的個數即爲通訊中的波特率。

1.3.4 同步過程分析

波特率只是約定了每個數據位的長度，數據同步還涉及到相位的細節，這個時候就需要用到數據位內的 SS、PTS、PBS1 及 PBS2 段了。根據對段的應用方式差異， CAN 的數據同步分爲硬同步和重新同步。其中硬同步只是當存在 “幀起始信號” 時起作用，無法確保後續一連串的位時序都是同步的，而重新同步方式可解決該問題，這兩種方式具體介紹如下：

(1) 硬同步

若某個 CAN 節點通過總線發送數據時，它會發送一個表示通訊起始的信號 (即下一小節介紹的幀起始信號)，該信號是一個由高變低的下降沿。而掛載到 CAN 總線上的通訊節點在不發送數據時，會時刻檢測總線上的信號。見圖 ，可以看到當總線出現幀起始信號時，某節點檢測到總線的幀起始信號不在節點內部時序的 SS 段範圍，所以判斷它自己的內部時序與總線不同步，因而這個狀態的採樣點採集得的數據是不正確的。所以節點以硬同步的方式調整，把自己的位時序中的 SS 段平移至總線出現下降沿的部分，獲得同步，同步後採樣點就可以採集得正確數據了。

(2) 重新同步

前面的硬同步只是當存在幀起始信號時才起作用，如果在一幀很長的數據內，節點信號與總線信號相位有偏移時，這種同步方式就無能爲力了。因而需要引入重新同步方式，它利用普通數據位的高至低電平的跳變沿來同步 (幀起始信號是特殊的跳變沿)。重新同步與硬同步方式相似的地方是它們都使用 SS 段來進行檢測，同步的目的都是使節點內的 SS 段把跳變沿包含起來。重新同步的方式分爲超前和滯後兩種情況，以總線跳變沿與 SS 段的相對位置進行區分。第一種相位超前的情況如圖 ，節點從總線的邊沿跳變中，檢測到它內部的時序比總線的時序相對超前 2Tq，這時控制器在下一個位時序中的 PBS1 段增加 2Tq 的時間長度，使得節點與總線時序重新同步。

第二種相位滯後的情況如圖 ，節點從總線的邊沿跳變中，檢測到它的時序比總線的時序相對滯後 2Tq，這時控制器在前一個位時序中的 PBS2 段減少 2Tq 的時間長度，獲得同步。

在重新同步的時候，PBS1 和 PBS2 中增加或減少的這段時間長度被定義爲 “重新同步補償寬度 SJW* (reSynchronization Jump Width)”。一般來說 CAN 控制器會限定 SJW 的最大值，如限定了最大 SJW=3Tq 時，單次同步調整的時候不能增加或減少超過 3Tq 的時間長度，若有需要，控制器會通過多次小幅度調整來實現同步。當控制器設置的 SJW 極限值較大時，可以吸收的誤差加大，但通訊的速度會下降

1.3.5 CAN 的報文種類及結構

在 SPI 通訊中，片選、時鐘信號、數據輸入及數據輸出這 4 個信號都有單獨的信號線，I2C 協議包含有時鐘信號及數據信號 2 條信號線，異步串口包含接收與發送 2 條信號線，這些協議包含的信號都比 CAN 協議要豐富，它們能輕易進行數據同步或區分數據傳輸方向。而 CAN 使用的是兩條差分信號線，只能表達一個信號，簡潔的物理層決定了 CAN 必然要配上一套更復雜的協議，如何用一個信號通道實現同樣、甚至更強大的功能呢？CAN 協議給出的解決方案是對數據、操作命令 (如讀 / 寫) 以及同步信號進行打包，打包後的這些內容稱爲報文。

1.3.5.1 報文的種類

在原始數據段的前面加上傳輸起始標籤、片選 (識別) 標籤和控制標籤，在數據的尾段加上 CRC 校驗標籤、應答標籤和傳輸結束標籤，把這些內容按特定的格式打包好，就可以用一個通道表達各種信號了，各種各樣的標籤就如同 SPI 中各種通道上的信號，起到了協同傳輸的作用。當整個數據包被傳輸到其它設備時，只要這些設備按格式去解讀，就能還原出原始數據，這樣的報文就被稱爲 CAN 的 “數據幀”。

爲了更有效地控制通訊，CAN 一共規定了 5 種類型的幀，它們的類型及用途說明如表

1.3.5.2 數據幀的結構

數據幀是在 CAN 通訊中最主要、最複雜的報文，我們來了解它的結構，見圖

數據幀以一個顯性位 (邏輯 0) 開始，以 7 個連續的隱性位 (邏輯 1) 結束，在它們之間，分別有仲裁段、控制段、數據段、CRC 段和 ACK 段。

2.1 CAN 控制內核

框圖中標號處的 CAN 控制內核包含了各種控制寄存器及狀態寄存器，我們主要講解其中的主控制寄存器 CAN_MCR 及位時序寄存器 CAN_BTR。

2.1.1 主控制寄存器 CAN_MCR

主控制寄存器 CAN_MCR 負責管理 CAN 的工作模式，它使用以下寄存器位實現控制。

2.1.2 位時序寄存器 (CAN_BTR) 及波特率

代碼清單 CAN 初始化結構

CAN 發送及接收結構體

CAN 篩選器結構體

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