CAN控制器局域网学习笔记

CAN控制器局域网（Controller Area NetWork）,是由德国Bosch公司制定，是工业以及汽车领域广泛使用的总线之一。当前许多嵌入式MCU的外设基本都具备有CAN外设。

一般在设计中如果需要用到CAN，并不是MCU具备CAN外设即可，还需要配备CAN收发芯片。因为MCU的TX/RX输出的CAN信号是TTL电平信号，要发送到总线上的话，需要将其转化为差分信号，所以外接的收发芯片的作用则是TTL信号和差分信号的相互转换。

下图是遵循ISO11898标准的高速/短距离的“闭环总线网络”。首位两端各有一个120欧姆的匹配电阻（120欧姆的匹配电阻只是一个经典值，并非固定），总线阻抗测量应为60欧姆，该总线也是工业场景中常用的总线结构。

下图为遵循ISO11519-2标准的低速，远距离“开环网络”。

总线上的匹配电阻的作用，主要有两个：一.提高抗干扰能力，确保信号快速进入隐形状态，更快地执行放电动作 二.提高信号质量，吸收信号传输到总线两端后的反射波。

如下图所示，能明显看到匹配电阻对信号的质量的实际改善。

上述，CAN有两个不同的通讯标准，不同的测试标准对于实际差分信号和逻辑电平的要求是不同的，如下图所示，因为CANH/CANL输出的是差分信号，当差分信号的电压差小于下表中的标准值，则认为是隐形电平，代表逻辑电平为1；同理，差分信号压差的电压差大于下表中标准值，则认为是显性电平，代表逻辑电平为0；

所以在实际使用过程中，可通过实际测量MCU出的TX/RX（逻辑电平）和收发芯片出的CAN H/CANL（差分信号），来简易地判断板级CAN电路是否工作正常。

CAN的帧类型有数据帧/遥控帧/错误帧/过载帧四种主要帧类型，其中应用最广泛和最复杂的就是数据帧，其中大家比较熟悉的就是数据帧里的标准帧和拓展帧（帧构成区别如下图所示），对于开发者来说，标准帧和拓展帧最直观的区别就是标准帧的帧ID范围：0～0x7ff,拓展帧的帧ID范围：0～0x1fffffff，数据域的使用是一致的。

标准帧

拓展帧

接下来介绍的也是CAN的配置中最重要的一个内容，就是波特率的配置。CAN的波特率也就是CAN报文的传输数量，单位是bps(Bits Per Second)每秒能传输的bit数目，目前常见的CAN 2.0理论最大支持到1M bps。接下来基于ST库函数代码，来查看CAN的波特率配置过程有哪些变量是需要关注的，且它们的含义是什么。

如上述所言，CAN的波特率即是每秒可传输的bit个数，那么可知

BaudRate = 1/BitTime

因此如下图所示，当分别配置CAN的波特率为125kbps、250kbps以及1Mbps时，可测得单个bit位的传输时长分别是8us、4us以及1us，因此这也是可用用作测试波特率是否配置正确的一种方法

如下所示，在实际开发过程中，以ST为例CAN的配置结构体如下所示，其中与波特率相关的变量为CAN_Prescaler/CAN_BS1/CAN_BS2,配置好这几个数值则可以完成目标波特率的配置。

那上述的这些变量具体可见下图，每个CAN报文的bit都可以拆成如下段，CAN报文也是通过如下段来决定如何对齐CAN时序、如何实现该bit位电平的采样。

如图所示一个bit位进一步拆分成SS段、PTS段、PBS1段(CAN_BS1)、PBS2段(CAN_BS2)，每个段的单位为1Tq

Tq = CAN_Prescaler/CAN所在总线频率 = CAN_Prescaler/Fclk。

综上可计算公式：

BitTime = （1+BS1+BS2)*Tq = (CAN_Prescaler)(1+BS1+BS2)/Fclk

BaudRate = 1/BitTime = Fclk/ (CAN_Prescaler)(1+BS1+BS2)

举个例子，若当前CAN所在总线的频率为45Mhz(即Fclk = 45M),此时若想要配置得到1Mbps的波特率，那么就需要凑出(CAN_Prescaler)(1+BS1+BS2) = 45，如下可知通过选取BS1 = 5、BS2 = 3、CAN_Prescaler = 5的形式来得到5*（1+5+3） = 45，来求的波特率是1Mbps。

由此可知计算波特率的数值取值不是固定的，因为BS1= 6，BS2 = 2也是可得到同样的波特率，但是这个时候需要引入一个采样点的概念，即CAN的处理电路什么时候开始判断当前这个CAN bit是属于高电平还是低电平，这边不做更多延伸，采样点的计算公式如下

Sample = (1+BS1)/(1+BS1 + BS2)，所以例子中的采样率为（1+5）/(1+5+3) = 0.67，则采样率为67%，一般情况下采样率最好是配置在75%~85%之间。

不同的芯片厂商的库函数其含义有些许不同，有的厂商是需要寄存器需要配置的TSEG1、TSEG2，其实就是BS1和BS2，但是例如如果你要配置BS1 = 5，实际赋值需要为TSEG1 = 4。区别就在于需要做加一或者减一的区别，下图即是公式，由于自己没有深究过这一块的区别，有研究的朋友欢迎评论交流。