CAN 一: CAN基础知识介绍

news2025/1/12 20:41:28

1、CAN介绍

1.1、什么是CAN?

(1)CAN（Controller Area Network:控制器局域网），是ISO国际标准化的串行通信协议。为满足汽车产业的“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需求。

(2)CAN总线的发展历史：

1986年，博世公司开发出CAN通信协议
1993年，ISO发布CAN标准ISO11898及ISO11519
2011年，博世公司开发出CAN FD
现在，汽车网络的标准协议

(3)小结

低速CAN(ISO11519)通信速率10~125kbps，总线长度可达1000米。
高速CAN(ISO11898)通信速率125kbps~1Mbps，总线长度 <= 40米。
高速CAN也称为经典CAN。
CAN FD通信速率可达5Mbps，并且兼容经典CA，遵循ISO 11898-1做数据收发。

(4)CAN官网

(5)CAN总线拓扑图

下图中电阻为终端电阻，用于阻抗匹配，以减少回波反射。
闭环总线的为高速CAN，开环总线的为低速CAN。
CAN总线由两根线（CANL和CANH）组成，允许挂载多个设备节点。
CAN入门规范中：低速CAN可挂载20个；高速CAN可挂载30个。
CAN能挂载多少个由CAN的收发器芯片决定。

图1 高速CAN

图2 低速CAN

1.2、CAN总线特点

(1)多主控制：每个设备都可以主动发送数据。

(2)系统的柔软性：没有类似地址的信息，添加设备不改变原有总线的状态。

(3)通信速度：速度快，距离远。

(4)错误检测&错误通知&错误恢复功能。

(5)故障封闭：判断故障类型，并且进行隔离。

(6)连接节点多：速度与数量找个平衡。

1.3、CAN应用场景

(1)CAN总线协议已广泛应用再汽车电子、工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

2、CAN物理层

2.1、CAN物理层特性

(1)CAN使用差分信号进行数据传输，根据CAN_H和CAN_L上的电位差来判断总线电平。

(2)总线电平分为显性电平(逻辑0)和隐性电平(逻辑1)，二者必居其一。

(3)显性电平具有优先权。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。

(4)CAN总线逻辑时序图：

(5)总结(表中的值只是典型值，真实值有一定偏差)

电平	高速CAN	低速CAN
显性电平(0)	UCAN_H - UCAN_L = 2V	UCAN_H - UCAN_L = 3V
隐形电平(1)	UCAN_H - UCAN_L = 0V	UCAN_H - UCAN_L = -1.5V

2.2、CAN收发器芯片介绍

(1)CAN收发器芯片常见有：TJA1050、TJA1042、SIT1050T。

(2)收发器芯片原理图:

(3)CAN芯片引脚介绍

引脚	功能
D	接STM32 CAN_TX，CAN发送引脚
GND	接地
VCC	该芯片工作电压为5V
R	接STM32 CAN_RX，CAN接收引脚
RS	高速/静音模式选择(低电平为高速)
CANH	高电位CAN电压输入输出端
CANL	低电位CAN电压输入输出端
Vref	参考电压输出

3、CAN协议层

3.1、CAN帧种类介绍

(1)CAN总线以“帧”形式进行通信。CAN协议定义了5种类型的帧：数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、间隔帧，其中数据帧最为常用。

(2)各类数据帧作用:

帧类型	帧作用
数据帧(Data Frame)	用于发送单元向接收单元传送数据的帧
遥控帧(Remote Frame)	用于接收单元向具有相同ID的发送单元请求数据的帧
错误帧(Error Frame)	用于当检测出错时向其他单元通知错误的帧
过载帧(Overload Frame)	用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧
间隔帧(Inter Frame Space)	用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧

3.2、CAN数据帧介绍

(1)数据帧由7段组成。数据帧又分为标准帧(CAN2.0A)和扩展帧(CAN2.0B),主要体现在仲裁段和控制段。

(2)数据帧各段功能

帧起始：表示数据帧开始的段，显性信号0
仲裁段：表示该帧优先级的段，优先级
控制段：表示数据的字节数及保留位的段
数据段：数据的内容，一帧可发送0~8字节数据
CRC段：检查帧的传输错误的段
ACK段：表示确认正常接收的段
帧结束：表示数据帧结束的段，7个隐形信号

(3)标准数据帧

		位长度	功能
帧起始	SOF	1bit	表示数据帧开始的段，显性信号0
仲裁段	Ident ifier(ID)	11bit	标识符位：标识帧优先级
仲裁段	RTR	1bit	远程发送请求位：0数据帧、1遥控帧(遥控帧没有后面的数据段)
控制段	IDE	1bit	扩展标识符位：这一位决定是标准数据帧还是扩展数据帧
	R0	1bit	保留位
	DLC	4bit	数据段长度编码位，单位是字节；2表示数据段有2字节数据
数据段	Data Field	0~64bit	数据的内容
CRC段	CRC15	15bit	循环校验序列(帧起始到数据段)
CRC段	DEL	1bit	界定符
ACK段	ACK	1bit	确认位(发送方拉高，接收单元接收后校验通过拉低)
ACK段	DEL	1bit	界定符
帧结束	EOF	7bit	表示数据帧结束的段，7个隐形信号

(4)扩展数据帧

		位长度	功能
帧起始	SOF	1bit	表示数据帧开始的段，显性信号0
仲裁段	Ident ifier(ID)	11bit	标识符位：标识帧优先级
	SRR	1bit	用在扩展格式，替代RTR
	IDE	1bit	扩展标识符位：这一位决定是标准数据帧还是扩展数据帧
	Extended Identifier	18bit	扩展标识符
	RTR	1bit	xx
控制段	R0	1bit	保留位
	R0	1bit	保留位
	DLC	4bit	数据段长度编码位，单位是字节；2表示数据段有2字节数据
数据段	Data Field	0~64bit	数据的内容
CRC段	CRC15	15bit	循环校验序列(帧起始到数据段)
CRC段	DEL	1bit	界定符
ACK段	ACK	1bit	确认位
ACK段	DEL	1bit	界定符
帧结束	EOF	7bit	表示数据帧结束的段，7个隐形信号

3.3、CAN位时序介绍

(1)CAN总线以“位同步”机制，实现对电平的正确采样。位数据都由都由四段组成：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)，每段又由多个位时序Tq组成。

(2)CAN位时序图

(3)采样点是指读取总线电平，并将读到的电平作为位值的点。根据位时序，就可以计算CAN通信的波特率。

(4)注意 : 节点监测到总线上信号的跳变在SS段范围内，表示节点与总线的时序是同步，此时采样点的电平即该位的电平。

3.4、CAN位时序数据同步

(1)时钟频率误差、传输上的相位延迟引起偏差，会造成CAN的传输出错。CAN为了实现对总线电平信号的正确采样，数据同步分为硬件同步和再同步。

(2)硬件同步

节点通过CAN总线发送数据，一开始发送帧起始信号。总线上其他节点会检测帧起始信号在不在位数据的SS段内，判断内部时序与总线是否同步。
假如不在SS段内，这种情况下，采样点获得的电平状态是不正确的。所以，节点会使用硬件同步方式调整，把自己的SS段平移到检测到边沿的地方，获得同步，同步情况下，采样点获得的电平状态才是正确的。
CAN空闲时高电平，在SS段会产生一个下降沿跳变。