Can基础

CAN是什么

CAN 是 Controller Area Network（控制器局域网）的缩写，它是一种串行通信协议和总线系统，最初设计用于汽车电子系统中的通信。

CAN 是由罗伯特·博世公司（Robert Bosch GmbH）在 1980 年代初开发的，旨在解决汽车电子系统中的通信需求。它提供了一种可靠的、实时的、高速的数据通信方式，用于在车辆的各个电子控制单元（ECU）之间进行通信。

CAN 总线采用了多主从的通信结构，其中一个或多个主节点负责控制总线的访问和数据传输，而从节点则接收和发送数据。CAN 总线使用差分信号传输，即使用两个线路（CAN_H 和 CAN_L）进行数据传输，以提高抗干扰能力。

CAN 协议具有以下特点和优势：

1. 可靠性：CAN 使用差分信号传输，具有抗干扰能力强的特点，适用于车辆等电磁环境复杂的场景。
2. 实时性：CAN 提供了实时的数据传输，用于传输对实时性要求较高的信息，如引擎控制、制动系统等。
3. 高速性：CAN 总线的通信速率可达到 1 Mbps，能够满足大多数应用的需求。
4. 灵活性：CAN 具有广播和点对点两种通信模式，支持多个节点同时进行通信。
5. 易于扩展：CAN 支持在总线上添加或移除节点，并且具有较好的可扩展性。
6. 错误检测和纠正：CAN 使用 CRC（循环冗余校验）进行错误检测，还具有错误报告和错误处理机制。

CAN物理层

CAN通信是一种异步通信方式，不依赖于时钟信号进行同步。它使用两条信号线，即CAN_High（CAN_H）和CAN_Low（CAN_L），以差分信号的形式进行通信。

CAN物理层主要有两种形式：

1. 高速闭环网络（符合ISO 11898标准）：该网络适用于短距离通信，总线最大长度为40米，通信速率最高可达1 Mbps。在总线的两端，需要分别连接一个120欧姆的电阻。

2. 低速开环网络（符合ISO 11519-2标准）：该网络适用于远距离通信，最大传输距离可达1千米，最高通信速率为125 kbps。该网络由两根独立的总线组成，不形成闭环结构，在每根总线上都需要串联一个2.2千欧姆的电阻。

CAN协议层

CAN通信是一种异步通信方式，没有时钟信号线。在一个共享总线网络中，各个节点之间使用约定好的波特率进行通信。CAN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。

位时序分解：为了实现位同步，CAN协议采用了位时序分解的方法。每个数据位被分解为SS（同步段）、PTS（传输段）、PBS1（位填充段1）和PBS2（位填充段2）四个部分，它们的长度加起来构成一个CAN数据位的长度。最小时间单位为Tq（时间量子），一个完整的位由8到25个Tq组成。

段名称	作用	Tq数
SS 段 (SYNC SEG)	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	1Tq
PTS 段 (PROP SEG)	传播时间段，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	1~8Tq
PBS1 段 (PHASE SEG1)	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	1~8Tq
PBS2 段 (PHASE SEG2)	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	2~8Tq

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。

同步过程：波特率只是约定了每个数据位的长度，数据同步还涉及到相位的细节，此时就要用到数据位内的 SS、PTS、PBS1 及 PBS2 段了。根据对段的应用方式差异， CAN 的数据同步分为硬同步和重新同步。其中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

• 硬同步：在CAN节点发送数据时，会发送帧起始信号。挂载在CAN总线上的节点会检测总线上的信号，当检测到总线的帧起始信号与节点内部的时序不同步时，节点调整自身的位时序，使得同步后的采样点可以正确采集数据
• 重新同步：当一帧数据很长且节点信号与总线信号相位有偏移时，硬同步无法解决同步问题。重新同步利用普通数据位的跳变沿来同步。它使用SS段进行检测，目的是包含跳变沿。重新同步分为相位超前和相位滞后两种情况
  • 相位超前：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：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

报文种类及结构：对数据、操作命令 (如读/写) 以及同步信号进行打包，打包后的这些内容称为报文。CAN 一共规定了 5 种类型的帧

帧	帧用途
数据帧	用于节点向外传送数据
遥控帧	用于向远端节点请求数据
错误帧	用于向远端节点通知校验错误，请求重新发送上一个数据
过载帧	用于通知远端节点：本节点尚未做好接收准备
帧间隔	用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来

• 数据帧：数据帧是在 CAN 通讯中最主要、最复杂的报文

  段名称	作用	备注
  帧起始	SOF，用于通知各个节点将有数据传输	1个数据位（显性电平）
  仲裁段	决定数据帧发送的优先级，也决定其它节点是否会接收这个数据帧。标准格式11位，扩展格式29位	RTR位标识是否远程帧（0数据帧；1远程帧），IDE位为标识符选择位（0标准标识符；1扩展标识符），SRR位为代替远程请求位（隐性位），代替了标准帧中的RTR位
  控制段	用表示数据段的字节数，由6个位构成	标准帧和扩展帧有所不同，r1和r0为保留位，默认为显性位；DLC为数据长度码，由4位组成，表示本报文中的数据段含有多少个字节
  数据段	节点要发送的原始信息	由 0~8 个字节组成，从最高位（MSB）开始输出
  CRC段	用于检查帧传输错误	由15个位的CRC顺序和1个位的CRC界定符（用于分隔的位）组成
  ACK段	用来确认是否正常接收	由ACK槽(ACK Slot)和ACK界定符2个位组成
  帧结束	EOF，由发送节点发送的7个隐性位表示结束	7 个数据位（隐性电平）