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CAN总线通信协议(基础)

article 2024/9/23 16:57:11

1.CAN简介        

        CAN总线（Controller Area Network Bus）控制器局域网总线 CAN总线是由BOSCH公司开发的一种简洁易用、传输速度快、易扩展、可靠性高的串行通信总线，广泛应用于汽车、嵌入式、工业控制等领域 CAN总线特征： 两根通信线（CAN_H、CAN_L），线路少，无需共地 差分信号通信，抗干扰能力强，用电压差值传递数据 高速CAN（ISO11898）：125k~1Mbps, <40m，用处多，着重学 低速CAN（ISO11519）：10k~125kbps, <1km 异步，无需时钟线，通信速率由设备各自约定 半双工，可挂载多设备，多设备同时发送数据时通过仲裁判断先后顺序 11位（标准格式）/29位（扩展格式）报文ID，用于区分消息功能，同时决定优先级 可配置1~8字节的有效载荷

广播式(发送者向接收者写入数据，这个lan网络下的其他设备被动接收，可根据ID确定要不要接收)和

请求式（发一个数据就需要先请求再接收）两种传输方式 应答、CRC校验、位填充、位同步、错误处理等特性主流通信协议对比 

对比其他串行通信协议：

名称

引脚

双工

时钟

电平

设备

应用场景

UART

TX、RX

全双工

异步

单端

点对点

两个设备互相通信

I2C

SCL、SDA

半双工

同步

单端

多设备

一个主控外挂多个模块

SPI

SCK、MOSI、MISO、

SS

全双工

同步

单端

多设备

一个主控外挂多个模块（高速）

CAN

CAN_H、CAN_L

半双工

异步

差分

多设备

多个主控互相通信

UART

IIC

SPI

2.物理层

        CAN 通讯并不是以时钟信号来进行同步的，它是一种半双工异步通讯，只具有CAN_High 和CAN_Low 两条信号线，共同构成一组差分信号线，以差分信号的形式进行通讯。

发送数据时：控制器把要发送的二进制编码通过CAN_Tx 线发送到收发器，然后由收发器把这个普通的逻辑电平信号转化成差分信号，通过差分线CAN_High 和CAN_Low 线输出到CAN 总线网络。

接收数据时：收发器把总线上收到的CAN_High 及CAN_Low 信号转化成普通的逻辑电平信号，通过CAN_Rx 输出到控制器中

怎么确定和哪个从机通信，读写关系确定？

can类似于广播，发送者向信道写入数据，这个lan网络下的其他设备被动接收(可以根据ID确定要不要接收)

两种CAN的连接结构

1.开环总线网络：低速、远距离“开环网络”，它的最大传输距离为1km，最高通讯速率为125kbps，两根总线是独立的、不形成闭环，要求每根总线上各串联有一个“2.2 千欧”的电阻。

低速CAN使用开环总线网络

2.闭环总线网络：高速、短距离“闭环网络”，它的总线最大长度为40m，通信速度最高为1Mbps，总线的两端各要求有一个“120 欧”的电阻。

电阻的作用

1.防止回波反射 尤其是 高频信号、远距离传输的场景 如果不加终端电阻 信号波形会在线路终端反射，进而干扰原始信号 。加了终端电阻 且 阻抗匹配 则电平跳变会比较平稳 2.在没有设备操作时 将两根差分线的电压 “收紧” （收紧为 电平1 呈隐性） 使其电压一致。 收紧：在没有设备操作总线的情况下 电阻就和弹簧一样 将两根线(CAN_H CAN_L) 的电压拉到同一个电平 和I2C的上拉电阻很像。

差分协议

表示逻辑1 时(隐性电平)，CAN_High 和CAN_Low 线上的电压均为2.5v，即它们的电压差VH-VL=0V；

表示逻辑0 时(显性电平)，CAN_High 的电平为3.5V，CAN_Low 线的电平为1.5V，即它们的电压差为VH-VL=2V。

例如，当CAN 收发器从CAN_Tx 线接收到来自CAN 控制器的低电平信号时(逻辑0)，它会使CAN_High 输出3.5V，同时CAN_Low 输出1.5V，从而输出显性电平表示逻辑0。

3.协议层

        在原始数据段的前面加上传输起始标签、片选标签和控制标签，在数据的尾段加上CRC校验标签、应答标签和传输结束标签，把这些内容按特定的格式打包好，就可以用一个通道表达各种信号了，当整个数据包被传输到其它设备时，只要这些设备按格式去解读，就能还原出原始数据，这样的报文就被称为CAN 的“数据帧”。

为了更有效地控制通讯，CAN 一共规定了5 种类型的帧：

数据帧的结构

        数据帧是在CAN 通讯中最主要、最复杂的报文。

帧起始

        SOF 段(Start Of Frame)，译为帧起始，帧起始信号只有一个数据位，是一个显性电平（0），它用于通知各个节点将有数据传输。

        

仲裁段（ID）

        当同时有两个报文被发送时，总线会根据仲裁段的内容决定哪个数据包能被传输，这也是它名称的由来。

        仲裁段的内容主要为本数据帧的ID 信息(标识符)，数据帧具有标准格式和扩展格式两种，区别就在于ID 信息的长度，标准格式的ID 为11 位，扩展格式的ID 为29 位，它在标准ID 的基础上多出18 位。

        在CAN 协议中，ID 起着重要的作用，它决定着数据帧发送的优先级，也决定着其它节点是否会接收这个数据帧。CAN 协议不对挂载在它之上的节点分配优先级和地址，对总线的占有权是由信息的重要性决定的，即对于重要的信息，我们会给它打包上一个优先级高的ID，使它能够及时地发送出去。也正因为它这样的优先级分配原则，使得CAN 的扩展性大大加强，在总线上增加或减少节点并不影响其它设备。

        如果总线上同时出现显性电平（0）和隐性电平（1），总线的状态会被置为显性电平，CAN 正是利用这个特性进行仲裁。若两个节点同时竞争CAN 总线的占有权，当它们发送报文时，若首先出现隐性电平，则会失去对总线的占有权。

        具体方式是当多个单元同时开始发送时，各发送单元从仲裁段的第一位开始进行仲裁。连续输出显性 电平最多的单元可继续发送。

        仲裁段ID 的优先级也影响着接收设备对报文的反应。因为在CAN 总线上数据是以广播的形式发送的，所有连接在CAN 总线的节点都会收到所有其它节点发出的有效数据，因而我们的CAN控制器大多具有根据ID 过滤报文的功能，它可以控制自己只接收某些ID 的报文。

回看上图数据帧的结构中的数据帧格式，可看到仲裁段除了报文ID 外，还有RTR、IDE 和SRR 位。

(1) RTR 位(Remote Transmission Request Bit)，译作远程传输请求位，它是用于区分数据帧和遥控帧的，当它为显性电平（0）时表示数据帧，隐性电平（1）时表示遥控帧。

(2) IDE 位(Identifier Extension Bit)，译作标识符扩展位，它是用于区分标准格式与扩展格式，当它为显性电平时表示标准格式，隐性电平时表示扩展格式。

(3) SRR 位(Substitute Remote Request Bit)，只存在于扩展格式，它用于替代标准格式中的RTR 位。由于扩展帧中的SRR 位为隐性位，RTR 在数据帧为显性位，所以在两个ID 相同的标准格式报文与扩展格式报文中，标准格式的优先级较高。

控制段

        在控制段中的r1 和r0 为保留位，默认设置为显性位。它最主要的是DLC段(Data Length Code)，译为数据长度码，它由4 个数据位组成，用于表示本报文中的数据段含有多少个字节，DLC 段表示的数字为0~8。

数据段

数据段为数据帧的核心内容，它是节点要发送的原始信息，由0~8 个字节组成，MSB 先行。

CRC段（校验段）

        为了保证报文的正确传输，CAN 的报文包含了一段15 位的CRC 校验码，一旦接收节点算出的CRC 码跟接收到的CRC 码不同，则它会向发送节点反馈出错信息，利用错误帧请求它重新发送。CRC 部分的计算一般由CAN 控制器硬件完成，出错时的处理则由软件控制最大重发数。

（错误帧的用途：某个设备检测出错误时向其他设备通知错误。当某个设备发现总线上的波形不对，产生错误了，他就会发出错误帧，错误帧可以叠加在数据帧上，并且可以破坏数据帧的数据，意思就是我发现这一帧数据有错，现在我破坏了这个数据，大家都不要用了，这是一种错误处理机制。）

        在CRC 校验码之后，有一个CRC 界定符，它为隐性位（1），主要作用是把CRC 校验码与后面的ACK段间隔起来。

ACK段（确认信号）

        ACK 段包括一个ACK 槽位和一个ACK 界定符位。类似I2C 总线，在ACK 槽位中，发送节点发送的是隐性位（1），而接收节点则在这一位中发送显性位（0）以示应答。在ACK 槽和帧结束之间由ACK 界定符间隔开。

帧结束

EOF 段(End Of Frame)，译为帧结束，帧结束段由发送节点发送的7 个隐性位表示结束

4.CAN的波特率及位序

        由于CAN 属于异步通讯，没有时钟信号线，连接在同一个总线网络中的各个节点会像串口异步通讯那样，节点间使用约定好的波特率进行通讯，特别地，CAN 还会使用“位同步”的方式来抗干扰、吸收误差，实现对总线电平信号进行正确的采样，确保通讯正常。

位时序

        为了实现位同步，CAN 协议把每一个数据位的时序分解成 位时序分解图所示的SS 段（同步段）、PTS 段（传播时间段）、PBS1 段（相位缓冲段1）、PBS2 段（相位缓冲段2），这四段的长度加起来即为一个CAN 数据位的长度。分解后最小的时间单位是Tq。

        1 位分为4 个段，每个段又由若干个Tq 构成，这称为位时序。

        1 位由多少个Tq 构成、每个段又由多少个Tq 构成等，可以任意设定位时序。通过设定位时序，多个单元可同时采样，也可任意设定采样点。

        上图第一张图设定CAN 通讯信号每一个数据位的长度为10Tq，其中SS 段占1Tq，PTS 段占3Tq，PBS1段占3Tq，PBS2 段占3Tq。

        信号的采样点位于PBS1 段与PBS2 段之间，通过控制各段的长度，可以对采样点的位置进行偏移，以便准确地采样，例如上图第二第三张图。

CAN通信频率：CAN总线时钟分频 = 42MHz /PSC(不需要+1) = 42 / 6 =7MHz

CAN通信单位时间Tq： 1/ 频率 = 1/ 7MHz = 1/7us

can把每个电平划分为了四个段:SS(起始段，固定一个Tq)、PTS(传播时间段)、PBS1、PBS2(至少两个Tq)

采样在PBS1和PBS2之间完成，PBS1可以延长、PBS2可以缩短(延长缩短的极限是SJW，TIPS:以上所有的值都是多少个单位时间Tq)。利用划分的四段，保证电平变换在SS段完成，采样点在PBS1和PBS2之间。

各段的作用如介绍下：

• SS 段

SS 译为同步段，若通讯节点检测到总线上信号的跳变沿被包含在SS 段的范围之内，则表示节点与总线的时序是同步的，当节点与总线同步时，采样点采集到的总线电平即可被确定为该位的电平。SS 段的大小固定为1Tq。

• PTS 段

PTS 译为传播时间段，这个时间段是用于补偿网络的物理延时时间。是总线上延时总和的两倍。PTS 段的大小可以为1~8Tq。

• PBS1 段

PBS1 译为相位缓冲段，主要用来补偿边沿阶段的误差，它的时间长度在重新同步的时候可以加长。PBS1 段的初始大小可以为1~8Tq。

• PBS2 段

PBS2 这是另一个相位缓冲段，也是用来补偿边沿阶段误差的，它的时间长度在重新同步时可以缩短。PBS2 段的初始大小可以为2~8Tq。

通讯的波特率

总线上的各个通讯节点只要约定好1 个Tq 的时间长度以及每一个数据位占据多少个Tq，就可以确定CAN 通讯的波特率。

例如，假设上图中的1Tq=1us，而每个数据位由10 个Tq 组成，则传输一位数据需要时间T=10us，从而每秒可以传输的数据位个数为：

1x10^6/10 = 100000 (bps)

这个每秒可传输的数据位的个数即为通讯中的波特率。

取得同步的方法

1.硬同步

节点将自己的位时序种的SS段平移至总线出现下降沿的部分，获得同步

硬同步只是当存在“帧起始信号”时起作用，无法确保后续一连串的位时序都是同步的，而重新同步方式可解决该问题。

2.再同步

前面的硬同步只是当存在帧起始信号时才起作用，如果在一帧很长的数据内，节点信号与总线信号相位有偏移时，这种同步方式就无能为力了。因而需要引入再同步方式，它利用普通数据位的隐性至显性电平的跳变沿来同步。重新同步与硬同步方式相似的地方是它们都使用SS 段来进行检测，同步的目的都是使节点内的SS 段把跳变沿包含起来。

同步的方式分为超前和滞后两种情况，以总线跳变沿与SS 段的相对位置进行区分。

  • 相位超前：

假设节点从总线的边沿跳变中，检测到它内部的时序比总线的时序相对超前2Tq，这时控制器在下一个位时序中的PBS1 段增加2Tq 的时间长度，使得节点与总线时序重新同步。

  • 相位滞后：

假设节点从总线的边沿跳变中，检测到它的时序比总线的时序相对滞后2Tq，这时控制器在前一个位时序中的PBS2 段减少2Tq 的时间长度，获得同步。

        在重新同步的时候，PBS1 和PBS2 中增加或减少的这段时间长度被定义为“重新同步补偿宽度SJW (reSynchronization Jump Width)”。一般来说CAN 控制器会限定SJW 的最大值，如限定了最大SJW=3Tq 时，单次同步调整的时候不能增加或减少超过3Tq 的时间长度，若有需要，控制器会通过多次小幅度调整来实现同步。当控制器设置的SJW 极限值较大时，可以吸收的误差加大，但通讯的速度会下降。

5.CAN 初始化结构体

/**
  * CAN filter init structure definition
  * CAN 筛选器结构体
 */
 typedef struct {
     //配置两个16位ID和两个16位掩码 - 32位是由两个16位拼接来的，在标志列表模式下也可以把掩码当成ID
     uint16_t CAN_FilterIdHigh; /*CAN_FxR1 寄存器的高16 位*/
     uint16_t CAN_FilterIdLow; /*CAN_FxR1 寄存器的低16 位*/
     uint16_t CAN_FilterMaskIdHigh; /*CAN_FxR2 寄存器的高16 位*/
     uint16_t CAN_FilterMaskIdLow; /*CAN_FxR2 寄存器的低16 位*/
     uint16_t CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0; /* 设置经过筛选后数据存储到哪个接收FIFO

     uint8_t CAN_FilterNumber; /* 筛选器编号，范围0-27*/
     uint8_t CAN_FilterMode; /* 筛选器模式*/
     uint8_t CAN_FilterScale; /* 设置筛选器的尺度 - 16位ID或32位ID*/
     FunctionalState CAN_FilterActivation; /* 是否使能本筛选器*/
 } CAN_FilterInitTypeDef;

(1) CAN_FilterIdHigh

用于存储要筛选的ID，若筛选器工作在32 位模式，它存储的是所筛选ID 的高16 位；若筛选器工作在16 位模式，它存储的就是一个完整的要筛选的ID。

(2) CAN_FilterIdLow

也是用于存储要筛选的ID，若筛选器工作在32 位模式，它存储的是所筛选ID 的低16 位；若筛选器工作在16 位模式，它存储的就是一个完整的要筛选的ID。

(3) CAN_FilterMaskIdHigh

CAN_FilterMaskIdHigh 分两种情况，当筛选器工作在标识符列表模式时，它的功能与CAN_FilterIdHigh 相同，都是存储要筛选的ID；而当筛选器工作在掩码模式时，它存储的是CAN_FilterIdHigh 成员对应的掩码，与CAN_FilterMaskIdLow 组成一组筛选器。

4) CAN_FilterMaskIdLow

CAN_FilterMaskIdLow 存储的内容也分两种情况，当筛选器工作在标识符列表模式时，它的功能与CAN_FilterIdLow 相同，都是存储要筛选的ID；而当筛选器工作在掩码模式时，它存储的是CAN_FilterIdLow 成员对应的掩码，与CAN_FilterMaskIdHigh组成一组筛选器。

不同模式下各结构体成员的内容：

用库函数CAN_FilterInit 即可把这些参数写入到筛选控制寄存器中。

数据收发流程

封装或者解析相应的数据报，收（判断FIFO缓冲区有没有数据，没数据就收不了），发（返回发送所用的邮箱号，读取和存储报文数据段的内容）

can.c

#include "public.h"

//canrx PA11    cantx   PA12

static void CAN_GPIO_init(void)
{
        
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);

		//CAN TX/RX
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_12;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
		//引脚复用
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource11,GPIO_AF_CAN1);
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource12,GPIO_AF_CAN1);
    
}

static void CAN_NVIC_Config(void)
{
   	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

		NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = CAN1_RX0_IRQn;	   //CAN RX0中断
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;		   //抢占优先级0
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;			   //子优先级为0
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

static void CAN_Mode_Config(void)
{
    CAN_InitTypeDef CAN_InitStructure;
	
		/************************CAN通信参数设置**********************************/
	  /* Enable CAN clock */
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN1, ENABLE);
    
	/* CAN Baudrate = 1 MBps (1MBps已为stm32的CAN最高速率) (CAN 时钟频率为 APB 1 = 42 MHz) */
		CAN_InitStructure.CAN_Prescaler=6;//时钟频率=42MHz/6=7MHz 周期 = 1/7
    CAN_InitStructure.CAN_Mode=CAN_Mode_LoopBack;//回环模式
    
		CAN_InitStructure.CAN_SJW=CAN_SJW_2tq;//重新同步跳跃宽度 2个时间单元
	  /* ss=1 bs1=4 bs2=2 位时间宽度为(1+4+2) 波特率即为时钟周期tq*(1+4+2) *///7MHz / ss+bs1+bs2 = 1MHz
    CAN_InitStructure.CAN_BS1=CAN_BS1_4tq;//时间段1 占用了4个时间单元
    CAN_InitStructure.CAN_BS2=CAN_BS2_2tq;//时间段2 占用了2个时间单元	
    
		CAN_InitStructure.CAN_TTCM = DISABLE;//关闭时钟港出发
    CAN_InitStructure.CAN_ABOM = ENABLE;//离线自动管理
    CAN_InitStructure.CAN_AWUM = ENABLE;//自动唤醒功能
 
    CAN_InitStructure.CAN_NART = ENABLE;//自动重传功能 - 直到成功
    CAN_InitStructure.CAN_RFLM = ENABLE;//锁定FIFO，数据缓冲区满了新数据自动丢弃
    CAN_InitStructure.CAN_TXFP = DISABLE;//是否使能优先级判定，不使能则按照报文ID的优先级
    CAN_Init(CAN1, &CAN_InitStructure);

}

/*CAN的过滤器 配置
把筛选器第0 组配置成了32 位的掩码模式，并且把它的输出连接到接收FIFO0，若通
过了筛选器的匹配，报文会被存储到接收FIFO0
*/
static void CAN_Filter_init(void)
{
		CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure;
		
		/*CAN筛选器初始化*/
		CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 1; /* 筛选器编号，范围0-27*/
		CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask ; /* 筛选器模式 - 掩码模式*/ 
		CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit; /* 设置筛选器的尺度 - 位宽为单个32位*/
		
	
		CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x0000; /*要筛选的寄存器的高16 位 - CAN_FxR1 */
		CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x0000; /*要筛选的寄存器的低16 位 - CAN_FxR1 */
		CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = 0x0000; /*筛选器的高16 位每位必须匹配 - CAN_FxR2 */
		CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = 0x0000; /*筛选器的低16 位每位必须匹配 - CAN_FxR2 */
		CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = CAN_Filter_FIFO0; // 设置经过筛选后数据存储到哪个接收FIFO
		FunctionalState CAN_FilterActivation = ENABLE; /* 是否使能本筛选器*/
		//CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);
	
		/*CAN通信中断使能*/
		//CAN_ITConfig(CAN1, CAN_IT_FMP0, ENABLE);
}

//完整配置CAN的功能
void CAN_Config(void)
{
  CAN_GPIO_init();
  //CAN_NVIC_Config();
  CAN_Mode_Config();
  CAN_Filter_init();   
}

u8 CAN_Send_data(u8 *data)
{
	CanTxMsg datatosend;
	int i= 0;
	uint8_t Mailbox = 0;
	datatosend.StdId = 0x01; /* 存储报文的标准标识符11 位，0-0x7FF. */
	datatosend.ExtId = 0x01; /* 存储报文的扩展标识符29 位，0-0x1FFFFFFF. */
	datatosend.IDE = CAN_Id_Extended; /* 存储IDE 扩展标志*/
	datatosend.RTR = CAN_RTR_Data; /* 存储RTR 远程帧标志*/
	datatosend.DLC = 8; /* 存储报文数据段的长度，0-8 */
			
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		datatosend.Data[i] = data[i]; /* 存储报文数据段的内容*/
	}
	
	Mailbox = CAN_Transmit(CAN1,&datatosend);
	while((CAN_TransmitStatus(CAN1,Mailbox)==CAN_TxStatus_Failed) && (i<0xFFFF))
		i++;//等待发送结束
			
	if(i>=0xFFFF)
		return 0;//超时跳出

	
	return 1;
}

u8 CAN_Receive_data(u8 *data)
{
	CanRxMsg datatorev;
	int i = 0;
	
	if(CAN_MessagePending(CAN1,CAN_FIFO0) == 0)
	{
		return 0;//没有接收到数据，直接退出
	}
	CAN_Receive(CAN1,CAN_FIFO0,&datatorev);//读取数据
	
	for(i=0;i<datatorev.DLC;i++)
	{
		 data[i] = datatorev.Data[i]; /* 存储报文数据段的内容*/
	}
	
	return datatorev.DLC;
}

main.c

#include "public.h"
int main(void)
{
	u8 msg[8] = {45,46,47,48,49,50};
	u8 canbuf[8];
	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	SysTick_Init();
	USART_Init_Config();
	KEY_Init();
	LED_Init();
	
	CAN_Config();
	
	u8 k =0;
	u8 i =0;
	while(1)
	{
		if(GetStaKey() == true)
		{
			CAN_Send_data(msg);
			GPIO_ToggleBits(GPIOF,GPIO_Pin_9);
		}
		Delay_ms(1);
		
		k = CAN_Receive_data(canbuf);
		
		if(k)
		{
			for(i=0;i<k;i++)
			{
				printf("%d ",canbuf[i]);
			}
		}
	}
}

http://www.kler.cn/news/316330.html

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