【通信接口】CAN总线协议

news2024/11/25 2:35:02

一、什么是CAN

1、CAN 的概念

2、节点构成（CAN 总线通信模型）

3、差分信号（电平特性）

4、CAN 总线的特点

二、CAN 总线协议的通信过程

1、发送过程

2、接收过程

3、概括

三、CAN 通信帧的分类

一、什么是CAN

1、CAN 的概念

CAN 是 Controller Area Network 的缩写，即控制器局域网络。最初的动机是为了解决电子控制系统中不断增加的信号线，CAN总线是一个单一的总线，所有的外围器件都可以被挂载到该总线。（大致示意图见下图）

ps：120Ω 的电阻用于匹配总线阻抗，吸收信号发射及回拨，提高数据通信的抗干扰能力

2、节点构成（CAN 总线通信模型）

每一个节点都对应一个外围器件，每个外围器件要接入到CAN总线都需包含：CAN 控制器、CAN收发器

CAN控制器负责上层应用层信号和逻辑电平之间的转换。
CAN 收发负责逻辑电平和物理信号之间的转换。

3、差分信号（电平特性）

CAN 总线使用两根线来连接各个单元：CAN_H 和 CAN_L。CAN 控制器通过判断这两根线上的电位差来得到总线电平（逻辑电平）。CAN 标准有两种，IOS11898 和 IOS11519，两者差分电平特性不同。以 IOS11898 标准为例。

逻辑电平 0：也叫显性电平
- CAN_H = 3.5 V，CAN_L = 1.5 V
- 电位差 = 2 V
逻辑电平 1：也叫隐性电平
- CAN_H = CAN_L = 2 V
- 电位差 = 0 V

CAN 总线是通过显性电平和隐形电平的变化来将具体的数据发送出去，总线上无节点传输数据时，一直处在隐形状态。

4、CAN 总线的特点

(1) 多主控制

CAN 总线没有主从之分，每个设备都可以主动发送数据，最先访问总线的单元获得发送权，剩余总线禁止发送数据。

如果多个单元同时开始发送时，高优先级 ID（数据帧中的一个字段）的单元可获得发送权

(2) 控制通信速度

根据整个网络的规模，可设定适合的通信速度。

在同一网络中，所有单元必须设定成统一的通信速度。即使有一个单元的通信速度与其它的不一样，此单元也会输出错误信号，妨碍整个网络的通信。不同网络间则可以有不同的通信速度。

(3) 远程数据请求

可通过发送“遥控帧” 请求其他单元发送数据。

(4) 具有错误检测、通知、恢复功能

所有的单元都可以检测错误（错误检测功能）。

检测出错误的单元会立即同时通知其他所有单元（错误通知功能）。

正在发送消息的单元一旦检测出错误，会强制结束当前的发送。强制结束发送的单元会不断反复地重新发送此消息直到成功发送为止（错误恢复功能）。

(5) 系统的柔软性

与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息。因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变

二、CAN 总线协议的通信过程

假设CAN总线处在隐性状态，即没有数据的传输。

1、发送过程

假设节点A开始发送数据，上层应用层发送信号，假设CAN控制器转换成了逻辑电平 0，经由 TxD 发给 CAN 收发器，然后转换成对应的电压（电压大小详见上面第二部分《差分信号》的表），这样就完成了 1 bit 数据的发送。

发送完一帧数据以后，接下来我们要考虑的是接收了。

2、接收过程

CAN是广播式地给当前局部网络的所有节点发送数据帧的，即接收时总线上的每一个设备都会收到这一帧的数据。CAN 的帧格式是面向内容的编址方案，可以认为报文是通过内容寻址，也就是说，报文的内容隐式地确定其地址。

节点B：检查了内容发现不是发给自己的，直接过滤

节点C：同样发现不是发给自己的，直接过滤

节点D：读取这一帧数据

节点D 的CAN收发器将总线上的差分电平转换成逻辑电平，随后再由CAN控制器转换成信号发送给上层。

3、概括

发送方通过使总线电平发生变化，将其信息传递到CAN总线上。
接收方通过监听总线电平，将总线上的消息读入自己的接收器。

三、CAN 通信帧的分类

了解了通信的过程，接下来我们要进一步了解每一个节点发送的一帧报文。其实CAN 通信帧有很多种，有用于数据传输的、远程控制的、错误通知等等。其中最为常用的就是用于传输数据的数据帧。

帧	用途
数据帧	用于发送单元向接收单元传送数据的帧。
遥控帧	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	用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧
过载帧	用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧
间隔帧	用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧