初学STM32 CAN通信（一）

# 初学STM32 CAN通信（一）

1. CAN协议简介

​ CAN是控制器局域网络(Controller Area Network)的简称， 是国际上应用最广泛的现场总线之一 ，近年来，它具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强及振动大的工业环境。

​ 与I2C、 SPI等具有时钟信号的同步通讯方式不同， CAN通讯并不是以时钟信号来进行同步的，它是一种异步通讯，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。

CAN物理层的形式主要分为闭环总线及开环总线网络两种，一个适合于高速通讯，一个适合于远距离通讯。

​ CAN总线上可以挂载多个通讯节点，节点之间的信号经过总线传输，实现节点间通讯。由于CAN通讯协议不对节点进行地址编码，而是对数据内容进行编码，所以网络中的节点个数理论上不受限制，只要总线的负载足够即可，可以通过中继器增强负载。

​ CAN通讯节点由一个CAN控制器及CAN收发器组成，控制器与收发器之间通过CAN_Tx及CAN_Rx信号线相连，收发器与CAN总线之间使用CAN_High及CAN_Low信号线相连。其中CAN_Tx及CAN_Rx使用普通的类似TTL逻辑信号，而CAN_High及CAN_Low是一对差分信号线，使用比较特别的差分信号。

​ 当CAN节点需要发送数据时，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。而通过收发器接收总线上的数据到控制器时，则是相反的过程，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。

2. 差分信号

差分信号又称差模信号，与传统使用单根信号线电压表示逻辑的方式有区别，使用差分信号传输时，需要两根信号线，这两个信号线的振幅相等，相位相反，通过两根信号线的电压差值来表示逻辑0和逻辑1。

相对于单信号线传输的方式，使用差分信号传输具有如下优点：
• 抗干扰能力强，当外界存在噪声干扰时，几乎会同时耦合到两条信号线上，而接收端只关心两个信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。
• 能有效抑制它对外部的电磁干扰，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。
• 时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。
• 由于差分信号线具有这些优点，所以在USB协议、 485协议、以太网协议及CAN协议的物理层中，都使用了差分信号传输

CAN协议中的差分信号
CAN协议中对它使用的CAN_High及CAN_Low表示的差分信号做了规定。以高速CAN协议为例，当表示逻辑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=0 V；而表示逻辑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=2 V。

3. 位时序

​ 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。

​ 为了实现位同步， CAN协议把每一个数据位的时序分解成SS段、 PTS段、PBS1段、 PBS2段，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，而一个完整的位由8~25个Tq组成。

​ 图中表示的CAN通讯信号每一个数据位的长度为19 Tq，其中SS段占1 Tq，PTS段占6 Tq， PBS1段占5 Tq， PBS2段占7 Tq。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 。

• SS段(SYNC SEG)
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1 Tq。

• PTS段(PROP SEG)
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。是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时总和的两倍。 PTS段的大小可以为1~8 Tq。

• PBS1段(PHASE SEG1)，
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1~8 Tq。

• PBS1段(PHASE SEG1)，
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1~8 Tq。

4. CAN的报文种类及结构

报文的种类

数据帧的结构图 ：

​ 数据帧以一个显性位(逻辑0)开始，以7个连续的隐性位(逻辑1)结束，在它们之间，分别有仲裁段、控制段、数据段、 CRC段和ACK段 。

• 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，它用于通知各个节点将有数据传输，其它节点通过帧起始信号的电平跳变沿来进行硬同步

• 仲裁段
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，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。

​ 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，当它为显性电平时表示数据帧，隐性电平时表示遥控帧。

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

• ACK段
ACK段包括一个ACK槽位和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，而接收节点则在这一位中发送显性位以示应答。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。

其他报文：