CAN总线入门知识

我快闭嘴 2022-09-15 2113

接口/总线/驱动

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描述

 

 

最近在调试一个CAN总线的设备遇到一些问题，简单总结一下。本文会对CAN总线进行简单介绍，CAN的硬件链路层，协议层，以及调试的一些心得。

目录

  • 什么是CAN总线？

  • 物理层

    • 差分信号

    • 连接方式

    • CAN节点

  • CAN协议

  • 如何寻址？

  • 帧类型

    • 数据帧

    • 远程帧

    • 错误帧

    • 过载帧

  • 消息时序以及同步

    • 位时序

    • 波特率

    • 消息过滤器

  • 如何配置？

  • 总结

  • 参考

什么是CAN总线？

Controller Area Network，简称CAN或者CAN bus) 是一种功能丰富的串行总线标准，最早的CAN控制芯片在奔驰车上应用并量产，因为支持多主机，多从机的优点，所以一辆车所有控制器，传感器，电子设备直接的通信只需要两条线就够了，大大优化了整车的布线。[^wiki can bus]

随着技术的不断发展，CAN发布了相应的标准，国际化标准组织，公布了CAN的不同标准；

标准 涵盖内容
ISO 11898-1 数据链路层
ISO 11898-2 高速CAN的物理层
ISO 11898-3 低速容错CAN的物理层

ISO 11898-1  ，ISO 11898-2是对应的设计标准，去搜索就可以知道这个技术点是如何进行设计的。

物理层

差分信号

这里我们介绍一下物理层，什么是物理层呢？就是CAN的电信号的传输过程。CAN是串行异步通讯，只有CAN_HIGH和CAN_LOW两条差分信号线，数据通过差分信号的方式进行通讯，其优点就是可以增加信号的抗干扰能力，抑制共模信号的干扰；

具体如下图所示；

CAN

所以，信号在变成一个字节一个字节的数字信号之前，就是按照这种差分形式的模拟信号来传输的。

我们可以简单地理解一下，当CAN_HIGH减去CAN_LOW大于某个阈值的时候，可以把它当做逻辑高，反之，当小于某一个阈值时，就变成逻辑低。

下面我们再来看看CAN总线设备之间是如何连接的。

连接方式

CAN总线支持多个节点挂载在总线上，比较类似I2C总线，可以在SCL和SDA上挂载多个从机，具体如下图所示；

CAN

不过CAN总线其实没有主从的概念，每个设备都是一个节点（Node），节点直接可以相互通讯，相较于I2C总线，CAN总线设置了终端电阻，常见的一种闭环连接模式，相对的还有开环的连接模式。

不同的连接模式，他们的通讯速率也大不相同，这里也就是高速CAN和低速CAN的区别。

两条电线组成一条双绞线，并且接有120Ω的特性阻抗。ISO 11898-2，也称为高速度CAN。它在总线的两端均接有120Ω电阻。

使用了120Ω终端电阻（这是CAN的ISO标准里规定的），这种模式的最高通讯速率可以达到1Mbps，下面是传输距离和传输速度的关系；

CANCAN总线长度与信号速率关系

高速CAN的拓扑结构具体如下所示；

CAN

还有一种是低速CAN，或者也叫做容错CAN，低速容错 CAN 总线将通讯的最大带宽从 1 Mbps 降低到 125 Kbps，并且不再在总线的起点和终点使用两个终端电阻，而是将电阻分布在每个节点上。具体如下图所示；

CAN

由于高速CAN和低速CAN的拓扑结构不同，另外终端电阻的分布也不同，所以CAN_HIGH和CAN_LOW上的电平是不相同的，这里有隐性电平和显性电平。

硬件上的连接基本上都搞清楚了，下面就是如何去实现一个具体的CAN节点。我们来简单地介绍一下。

CAN节点

CAN节点通常分为三个部分；

  • MCU/CPU；
  • CAN控制器，
  • CAN收发器；

通常一些单片机内部就集成了相应的CAN控制器外设，比如我们比较常用的单片机——STM32，所以我们常见的结构一般是这样子的。

CAN

所以整体的流程是这样的，如下：

  • CAN总线上通过差分信号进行数据传输；
  • CAN收发器将差分信号转换为TTL电平信号，或者将TTL电平信号转换为差分信号；
  • CAN控制器将TTL电平信号接收，并传输给MCU；

那么，对于单片机开发者而言，需要关注的就是最终CAN控制器传输给MCU的数据，如何去配置CAN控制器，以及使用CAN控制进行数据的读取和发送。

既然这样，我们就不得不去了解一下CAN总线的通信原理，如何寻址，上层协议如何规定的。

CAN协议

CAN协议和网络协议比较类似，进行了分层的设计思想；

CAN

按照我的理解；

  • 物理层就是前面提到过的硬件拓扑结构，包括高速CAN和低速CAN，而CAN收发器就属于物理层；
  • 传输层则是CAN控制器所需要做的事情，包括CAN时序，同步，消息仲裁，确认，错误检验等，这个比较复杂，如果只是应用开发，我认为，简单了解一下即可；这一层需要做的工作包括：
    • 故障约束；
    • 错误监测；
    • 消息验证；
    • 信息确认；
    • 仲裁；
    • 信息帧；
    • 传输速率和时间；
    • 路由信息；
  • 对象层，MCU应该是属于这一层，我们需要对CAN消息做信息的过滤设置，CAN消息的处理等等；
  • 应用层就是基于对象层的进一步封装，不同的CAN标准，比如工业自动化领域的CANopen，汽车诊断ISO 14229 定义的UDS等等；

如何寻址？

CAN总线上的每个节点不需要设置节点的地址，而是通过消息的标识符（Identifier）来区别信息。因为CAN总线的消息是广播的（就是大家都可以收到消息），比如总线上有节点A，节点B，节点C，那么节点A发消息，节点B和节点C都会收到消息；

节点B 和 节点C 会根据消息中的标识符，以及B和C中的消息过滤规则进行比较，如果不满足规则，就不接受这条信息。

这里需要注意的是：

  • 发送消息的时候，总线必须处于空闲状态；
  • 标识符越小，则消息获取总线的优先级越高；

在这里我们已经了解如何寻址，下面就看一下消息帧了。

帧类型

CAN有4种帧类型：

  • 数据帧：包含用于传输的节点数据的帧
  • 远程帧：请求传输特定标识符的帧
  • 错误帧：由任何检测到错误的节点发送的帧
  • 过载帧：在数据帧或远程帧之间插入延迟的帧

这里我们有必要重点了解一下数据帧，下面继续介绍各种帧之间的区别。

数据帧

数据帧分为标准帧和扩展帧两种格式；

  • 基本帧格式：有11个标识符位
  • 扩展帧格式：有29个标识符位

数据帧的结构具体如下所示；

CAN数据帧格式

简单介绍一下数据帧的细节；

  • sof：start of frame，表示数据帧开始；（1 bit）

  • Identifier：标准格式11 bit，扩展格式29 bit包括Base Identifier（11 bit）和Extended Identifier（18 bit），该区段标识数据帧的优先级，数值越小，优先级越高；

  • RTR：远程传输请求位，0时表示为数据帧，1表示为远程帧，也就是说RTR=1时，消息帧的Data Field为空；（1 bit）

  • IDE：标识符扩展位，0时表示为标准格式，1表示为扩展格式；（1 bit）

  • DLC：数据长度代码，0~8表示数据长度为0~8 Byte；（4 bit）

  • Data Field：数据域；（0~8 Byte）

  • CRC Sequence：校验域，校验算法,

  • DEL：校验域和应答域的隐性界定符；（1 bit）

  • ACK：应答，确认数据是否正常接收，所谓正常接收是指不含填充错误、格式错误、 CRC 错误。发送节点将此位为1，接收节点正常接收数据后将此位置为0；（1 bit）

  • SRR：替代远程请求位，在扩展格式中占位用，必须为1；（1 bit）

  • EOF：连续7个隐性位（1）表示帧结束；（7 bit）

  • ITM：帧间空间，Intermission (ITM)，又称Interframe Space (IFS)，连续3个隐性位，但它不属于数据帧。帧间空间是用于将数据帧和远程帧与前面的帧分离开来的帧。数据帧和远程帧可通过插入帧间空间将本帧与前面的任何帧（数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧）分开。过载帧和错误帧前不能插入帧间空间。

远程帧

一般地，数据是由发送单元主动向总线上发送的，但也存在接收单元主动向发送单元请求数据的情况。远程帧的作用就在于此，它是接收单元向发送单元请求发送数据的帧。远程帧与数据帧的帧结构类似，如上图X所示。远程帧与数据帧的帧结构区别有两点：

  • 数据帧的 RTR 值为“0”，远程帧的 RTR 值为“1”
  • 远程帧没有数据块

远程帧的 DLC 块表示请求发送单元发送的数据长度（Byte）。当总线上具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时，由于数据帧的 RTR 位是显性的，数据帧将在仲裁中赢得总线控制权。

错误帧

用于在接收和发送消息时检测出错误时，通知错误的帧。错误帧由错误标志和错误界定符构成。错误帧的帧结构如图11示。

  • 错误标志：

    个显性/隐性重叠位

    • 主动错误标志（6个显性位）：处于主动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志
    • 被动错误标志（6个隐性位）：处于被动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志

  • 错误界定符：8 个隐性位

 

CAN

过载帧

过载帧是用于接收单元通知发送单元它尚未完成接收准备的帧。在两种情况下，节点会发送过载帧：

  • 接收单元条件的制约，要求发送节点延缓下一个数据帧或远程帧的传输；
  • 帧间空间（Intermission）的 3 bit 内检测到显性位

每个节点最多连续发送两条过载帧。过载帧由过载标志和过载界定符（8 个隐性位）构成。数据帧的帧结构如图12所示。

CANcan_overload_frame

这里基本把帧介绍完了，但是每个节点之间的通讯，我们如何知道这一帧开始接收了，这一帧已经接收结束了呢？下面就需要了解一下消息的时序和消息同步的方法。

消息时序以及同步

位时序

在讲CAN消息时序和同步之前，我们可以对照一下UART串口的传输协议，他有起始位和停止位，然后大家都规定使用相同的通讯速率（波特率）；

其实CAN通讯也是类似的方式，它属于异步通讯，没有时钟信号线，所以所有节点之间要约定好使用相同的波特率来传输数据。

在总线空闲一段时间后，在（起始位） 进行硬同步，同步方式是将每一位划分成多个称为量子的时间段（time quanta），并分配一定数量的量子到位中的四个阶段完成的。

这四个阶段分别为：

  • SYNC_SEG：同步段，1 个时间量子长度。它用于同步各种总线节点；
  • PROP_SEG：传播段，1~8 时间量子长度。它用于补偿网络上的信号延迟。
  • PHASE_SEG_1：相位缓冲段1，1~8 时间量子长度。它用于补偿边缘相位误差，在重新同步期间可能会延长。
  • PHASE_SEG_2：相位缓冲段2，2~8 时间量子长度。它用于补偿边缘相位误差

具体如下图所示；

CAN位时序

波特率

如何计算波特率，需要知道每个量子时间的长度（time quanta），以及每一位需要多少个量子时间，

假设这里time quanta = 1us ，并且1 bit = 8 tq，那么上图中的波特率就应该是：

 

消息过滤器

前面有提到消息在CAN总线上是广播式的，但并不是所有节点都会对总线上所有消息感兴趣。节点通过控制器中过滤码（Filter Code ）和掩码（Mask Code），再检验总线上消息的标识符，来判断是否接收该消息（Message Filtering）。

对于掩码，“1”表示该位与本节点相关，“0”表示该位与本节点不相关。举例如下：

例1：仅接收消息标识符为00001567（十六进制）的帧

  • 设置过滤码为00001567
  • 设置掩码为1FFFFFFF

节点检测消息的标识符的所有位（29位），如果标识符为00001567接收，否则舍弃。

例2：接收消息标识符为00001567 到0000156F 的帧

  • 设置过滤码为00001560
  • 设置掩码为1FFFFFF0

节点检测消息的标识符的高25位，最低的4位则不care。如果标识符最高25位相同则接收，否则舍弃。

例3：接收消息标识符为00001560 到 00001567 的帧

  • 设置过滤码为00001560
  • 设置掩码为1FFFFFF8

节点检测消息的标识符的高26位，最低的3位则不care。如果标识符最高26位相同则接收，否则舍弃。

例4：接收所有消息帧帧

  • 设置过滤码为0
  • 设置掩码为0

节点接收总线上所有消息。

如何配置？

上面介绍了帧类型，那么如何基于MCU进行配置呢？这里以STM32F407为硬件平台，使用HAL库进行初始化，看一下都对哪些地方进行了配置。一般来说，我们需要配置CAN的波特率，消息过滤器等等，下面是简单的配置的代码；

CAN_HandleTypeDef hCAN;
void MX_CAN_Init(void)
{
    CAN_FilterTypeDef   sFilterConfig;
    /*CAN单元初始化*/
    hCAN.Instance = CAN1;      /* CAN外设 */
 
    /* BTR-BRP 波特率分频器  定义了时间单元的时间长度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 重新同步跳跃宽度 1个时间单元 */
    hCAN.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_6TQ;   /* BTR-TS1 时间段1 占用了6个时间单元 */
    hCAN.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_7TQ;   /* BTR-TS1 时间段2 占用了7个时间单元 */
    hCAN.Init.TimeTriggeredMode = DISABLE;  /* MCR-TTCM  关闭时间触发通信模式使能 */ 
    hCAN.Init.AutoBusOff = ENABLE;    /* MCR-ABOM  自动离线管理 */
    hCAN.Init.AutoWakeUp = ENABLE;    /* MCR-AWUM  使用自动唤醒模式 */
    hCAN.Init.AutoRetransmission = DISABLE;  /* MCR-NART  禁止报文自动重传   DISABLE-自动重传 */
    /* MCR-RFLM  接收FIFO 锁定模式  DISABLE-溢出时新报文会覆盖原有报文 */
    hCAN.Init.ReceiveFifoLocked = DISABLE;  
    /* MCR-TXFP  发送FIFO优先级 DISABLE-优先级取决于报文标示符 */
    hCAN.Init.TransmitFifoPriority = DISABLE; 
    if (HAL_CAN_Init(&hCAN) != HAL_OK)
    {
        //Error_Handler();
    }
 // 初始化发送器
 hCAN1_TxMessage.IDE = CAN_ID_STD;
 hCAN1_TxMessage.RTR = CAN_RTR_DATA;
 hCAN1_TxMessage.TransmitGlobalTime = ENABLE;
 
 // 初始化滤波器 设置为0 则不对消息进行过滤
    hCAN1_Filter.FilterIdHigh               = 0;  /* 要过滤的ID高位 */
    hCAN1_Filter.FilterIdLow                = 0;  /* 要过滤的ID低位 */
    hCAN1_Filter.FilterMaskIdHigh          = 0;  /* 过滤器高16位每位必须匹配 */
    hCAN1_Filter.FilterMaskIdLow            = 0;  /* 过滤器低16位每位必须匹配 */
    hCAN1_Filter.FilterFIFOAssignment   = CAN_FILTER_FIFO0;/* 过滤器被关联到FIFO 0 */
    hCAN1_Filter.FilterBank                 = 0;
    hCAN1_Filter.FilterMode                 = CAN_FILTERMODE_IDMASK; /* 工作在标识符屏蔽位模式 */
    hCAN1_Filter.FilterScale                = CAN_FILTERSCALE_32BIT;  /* 过滤器位宽为单个32位。*/
    hCAN1_Filter.FilterActivation        = ENABLE;
    hCAN1_Filter.SlaveStartFilterBank   = 0; 
 
 HAL_CAN_ConfigFilter(&hCAN, &hCAN1_Filter);
 
 while(HAL_CAN_Start(&hCAN) != HAL_OK )
 {
  printf("
CAN_Start Failed!!");
  HAL_Delay(100);
 }
 HAL_CAN_ActivateNotification(&hCAN, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);
}

下面是CAN发送的函数，我们需要自己构建相应的消息帧格式，通常需要设置消息帧的ID格式，消息长度，具体如下；

void CAN_TxMessage(CAN_HandleTypeDef *hcan,uint16_t ID ,uint8_t aData[], uint8_t DLC)
{
    uint32_t Tx_MailBox;
    /*-1- 配置数据段长度 ----------------------------------------*/ 
 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- 发送aData ---------------------------------------------*/
    while(HAL_CAN_AddTxMessage(hcan, &hCAN1_TxMessage, aData, &Tx_MailBox) != HAL_OK)
    {
        HAL_Delay(5);
    }
}

上述代码设置发送消息：

  • CAN_ID_STD设置为标准ID；
  • CAN_RTR_DATA设置消息为数据帧；
  • StdId为当前消息的ID；
  • DLC为当前消息的长度；

整体可以参考前面介绍的消息帧格式，篇幅有限，这里就先简单的介绍一下。

总结

本文对CAN总结进行了简单的介绍，CAN通讯的特点可以总结如下；

  • 符合OSI开放式通信系统参考模型；
  • 两线式总线结构，电气信号为差分式；
  • 多主控制。在总线空闲时，所有的单元都可开始发送消息，最先访问总线的单元可获得发送权；多个单元同时开始发送时，发送高优先级 ID 消息的单元可获得发送权；
  • 消息报文不包含源地址或者目标地址，仅通过标识符表明消息功能和优先级；
  • 基于固定消息格式的广播式总线系统，短帧结构；
  • 事件触发型。只有当有消息要发送时，节点才向总线上广播消息；
  • 可以通过发送远程帧请求其它节点发送数据；
  • 消息数据长度 0~8 Byte；
  • 错误检测功能。所有节点均可检测错误，检测处错误的单元会立即通知其它所有单元；
  • 发送消息出错后，节点会自动重发；
  • 故障限制。节点控制器可以判断错误是暂时的数据错误还是持续性错误，当总线上发生持续数据错误时，控制器可将节点从总线上隔离；
  • 通信介质可采用双绞线、同轴电缆和光导纤维，一般使用最便宜的双绞线；
  • 理论上，CAN总线用单根信号线就可以通信，但还是配备了第二根导线，第二根导线与第一根导线信号为差分关系，可以有效抑制电磁干扰；
  • 在40米线缆条件下，最高数据传输速率 1Mbps；
  • 总线上可同时连接多个节点，可连接节点总数理论上是没有限制的，但实际可连接节点数受总线上时间延迟及电气负载的限制；
　　审核编辑：汤梓红

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