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广东微电科技有限公司

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广东微电位于南海狮山,总部东方微电2018年成立于光谷。公司2019年被评为国家高新技术企业,产品包括传感芯片、采集模组、控制器、磁探头。

CAN总线简单介绍

12-09 144人看过

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什么是CAN总线?

Controller Area Network,简称CAN或者CAN bus) 是一种功能丰富的串行总线标准,最早的CAN控制芯片在奔驰车上应用并量产,因为支持多主机,多从机的优点,所以一辆车所有控制器,传感器,电子设备直接的通信只需要两条线就够了,大大优化了整车的布线。

随着技术的不断发展,CAN发布了相应的标准,国际化标准组织,公布了CAN的不同标准;

标准 涵盖内容
ISO 11898-1 数据链路层
ISO 11898-2 高速CAN的物理层
ISO 11898-3 低速容错CAN的物理层

ISO 11898-1  ,ISO 11898-2是对应的设计标准,去搜索就可以知道这个技术点是如何进行设计的。

物理层

差分信号

这里我们介绍一下物理层,什么是物理层呢?就是CAN的电信号的传输过程。CAN是串行异步通讯,只有CAN_HIGHCAN_LOW两条差分信号线,数据通过差分信号的方式进行通讯,其优点就是可以增加信号的抗干扰能力,抑制共模信号的干扰;

具体如下图所示;

图片

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所以,信号在变成一个字节一个字节的数字信号之前,就是按照这种差分形式的模拟信号来传输的。

我们可以简单地理解一下,当CAN_HIGH减去CAN_LOW大于某个阈值的时候,可以把它当做逻辑高,反之,当小于某一个阈值时,就变成逻辑低。

下面我们再来看看CAN总线设备之间是如何连接的。

连接方式

CAN总线支持多个节点挂载在总线上,比较类似I2C总线,可以在SCLSDA上挂载多个从机,具体如下图所示;

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不过CAN总线其实没有主从的概念,每个设备都是一个节点(Node),节点直接可以相互通讯,相较于I2C总线,CAN总线设置了终端电阻,常见的一种闭环连接模式,相对的还有开环的连接模式。

不同的连接模式,他们的通讯速率也大不相同,这里也就是高速CAN和低速CAN的区别。

两条电线组成一条双绞线,并且接有120Ω的特性阻抗。ISO 11898-2,也称为高速度CAN。它在总线的两端均接有120Ω电阻。

使用了120Ω终端电阻(这是CAN的ISO标准里规定的),这种模式的最高通讯速率可以达到1Mbps,下面是传输距离和传输速度的关系;

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CAN总线长度与信号速率关系

高速CAN的拓扑结构具体如下所示;

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还有一种是低速CAN,或者也叫做容错CAN,低速容错 CAN 总线将通讯的最大带宽从 1 Mbps 降低到 125 Kbps,并且不再在总线的起点和终点使用两个终端电阻,而是将电阻分布在每个节点上。具体如下图所示;

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由于高速CAN和低速CAN的拓扑结构不同,另外终端电阻的分布也不同,所以CAN_HIGHCAN_LOW上的电平是不相同的,这里有隐性电平和显性电平。

硬件上的连接基本上都搞清楚了,下面就是如何去实现一个具体的CAN节点。我们来简单地介绍一下。

CAN节点

CAN节点通常分为三个部分;

MCU/CPU

CAN控制器

CAN收发器

通常一些单片机内部就集成了相应的CAN控制器外设,比如我们比较常用的单片机——STM32,所以我们常见的结构一般是这样子的。

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所以整体的流程是这样的,如下:

CAN总线上通过差分信号进行数据传输

CAN收发器将差分信号转换为TTL电平信号,或者将TTL电平信号转换为差分信号;

CAN控制器将TTL电平信号接收,并传输给MCU;

那么,对于单片机开发者而言,需要关注的就是最终CAN控制器传输给MCU的数据,如何去配置CAN控制器,以及使用CAN控制进行数据的读取和发送。

既然这样,我们就不得不去了解一下CAN总线的通信原理,如何寻址,上层协议如何规定的。

CAN协议

CAN协议和网络协议比较类似,进行了分层的设计思想;

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按照我的理解;

物理层就是前面提到过的硬件拓扑结构,包括高速CAN和低速CAN,而CAN收发器就属于物理层;

传输层则是CAN控制器所需要做的事情,包括CAN时序,同步,消息仲裁,确认,错误检验等,这个比较复杂,如果只是应用开发,我认为,简单了解一下即可;这一层需要做的工作包括:

故障约束;

错误监测;

消息验证;

信息确认;

仲裁;

信息帧;

传输速率和时间;

路由信息;

对象层,MCU应该是属于这一层,我们需要对CAN消息做信息的过滤设置,CAN消息的处理等等;

应用层就是基于对象层的进一步封装,不同的CAN标准,比如工业自动化领域的CANopen,汽车诊断ISO 14229 定义的UDS等等;

如何寻址?

CAN总线上的每个节点不需要设置节点的地址,而是通过消息的标识符(Identifier)来区别信息。因为CAN总线的消息是广播的(就是大家都可以收到消息),比如总线上有节点A,节点B,节点C,那么节点A发消息,节点B和节点C都会收到消息;

节点B 和 节点C 会根据消息中的标识符,以及B和C中的消息过滤规则进行比较,如果不满足规则,就不接受这条信息。

这里需要注意的是:

发送消息的时候,总线必须处于空闲状态;

标识符越小,则消息获取总线的优先级越高;

在这里我们已经了解如何寻址,下面就看一下消息帧了。

帧类型

CAN有4种帧类型:

数据帧:包含用于传输的节点数据的帧

远程帧:请求传输特定标识符的帧

错误帧:由任何检测到错误的节点发送的帧

过载帧:在数据帧或远程帧之间插入延迟的帧

这里我们有必要重点了解一下数据帧,下面继续介绍各种帧之间的区别。

数据帧

数据帧分为标准帧和扩展帧两种格式;

基本帧格式:有11个标识符位

扩展帧格式:有29个标识符位

数据帧的结构具体如下所示;

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数据帧格式

简单介绍一下数据帧的细节;

sofstart of frame,表示数据帧开始;(1 bit)

Identifier:标准格式11 bit,扩展格式29 bit包括Base Identifier(11 bit)和Extended Identifier(18 bit),该区段标识数据帧的优先级,数值越小,优先级越高;

RTR:远程传输请求位,0时表示为数据帧,1表示为远程帧,也就是说RTR=1时,消息帧的Data Field为空;(1 bit)

IDE:标识符扩展位,0时表示为标准格式,1表示为扩展格式;(1 bit)

DLC:数据长度代码,0~8表示数据长度为0~8 Byte;(4 bit)

Data Field:数据域;(0~8 Byte)

CRC Sequence:校验域,校验算法,

 

DEL:校验域和应答域的隐性界定符;(1 bit)

ACK:应答,确认数据是否正常接收,所谓正常接收是指不含填充错误、格式错误、 CRC 错误。发送节点将此位为1,接收节点正常接收数据后将此位置为0;(1 bit)

SRR:替代远程请求位,在扩展格式中占位用,必须为1;(1 bit)

EOF:连续7个隐性位(1)表示帧结束;(7 bit)

ITM:帧间空间,Intermission (ITM),又称Interframe Space (IFS),连续3个隐性位,但它不属于数据帧。帧间空间是用于将数据帧和远程帧与前面的帧分离开来的帧。数据帧和远程帧可通过插入帧间空间将本帧与前面的任何帧(数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧)分开。过载帧和错误帧前不能插入帧间空间。

远程帧

一般地,数据是由发送单元主动向总线上发送的,但也存在接收单元主动向发送单元请求数据的情况。远程帧的作用就在于此,它是接收单元向发送单元请求发送数据的帧。远程帧与数据帧的帧结构类似,如上图X所示。远程帧与数据帧的帧结构区别有两点:

数据帧的 RTR 值为“0”,远程帧的 RTR 值为“1

远程帧没有数据块

远程帧的 DLC 块表示请求发送单元发送的数据长度(Byte)。当总线上具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时,由于数据帧的 RTR 位是显性的,数据帧将在仲裁中赢得总线控制权。

错误帧

用于在接收和发送消息时检测出错误时,通知错误的帧。错误帧由错误标志和错误界定符构成。错误帧的帧结构如图11示。

错误标志:

个显性/隐性重叠位

主动错误标志(6个显性位):处于主动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志

被动错误标志(6个隐性位):处于被动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志

错误界定符:8 个隐性位

 

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过载帧

过载帧是用于接收单元通知发送单元它尚未完成接收准备的帧。在两种情况下,节点会发送过载帧:

接收单元条件的制约,要求发送节点延缓下一个数据帧或远程帧的传输;

帧间空间(Intermission)的 3 bit 内检测到显性位

每个节点最多连续发送两条过载帧。过载帧由过载标志和过载界定符(8 个隐性位)构成。数据帧的帧结构如图12所示。

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can_overload_frame

这里基本把帧介绍完了,但是每个节点之间的通讯,我们如何知道这一帧开始接收了,这一帧已经接收结束了呢?下面就需要了解一下消息的时序和消息同步的方法。

消息时序以及同步

位时序

在讲CAN消息时序和同步之前,我们可以对照一下UART串口的传输协议,他有起始位和停止位,然后大家都规定使用相同的通讯速率(波特率);

其实CAN通讯也是类似的方式,它属于异步通讯,没有时钟信号线,所以所有节点之间要约定好使用相同的波特率来传输数据。

在总线空闲一段时间后,在(起始位) 进行硬同步,同步方式是将每一位划分成多个称为量子的时间段(time quanta),并分配一定数量的量子到位中的四个阶段完成的。

这四个阶段分别为:

SYNC_SEG:同步段,1 个时间量子长度。它用于同步各种总线节点;

PROP_SEG:传播段,1~8 时间量子长度。它用于补偿网络上的信号延迟。

PHASE_SEG_1:相位缓冲段1,1~8 时间量子长度。它用于补偿边缘相位误差,在重新同步期间可能会延长。

PHASE_SEG_2:相位缓冲段2,2~8 时间量子长度。它用于补偿边缘相位误差

具体如下图所示;

图片

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位时序

波特率

如何计算波特率,需要知道每个量子时间的长度(time quanta),以及每一位需要多少个量子时间,

假设这里time quanta = 1us ,并且1 bit = 8 tq,那么上图中的波特率就应该是:

消息过滤器

前面有提到消息在CAN总线上是广播式的,但并不是所有节点都会对总线上所有消息感兴趣。节点通过控制器中过滤码(Filter Code )和掩码(Mask Code),再检验总线上消息的标识符,来判断是否接收该消息(Message Filtering)。

对于掩码,“1”表示该位与本节点相关,“0”表示该位与本节点不相关。举例如下:

例1:仅接收消息标识符为00001567(十六进制)的帧

设置过滤码为00001567

设置掩码为1FFFFFFF

节点检测消息的标识符的所有位(29位),如果标识符为00001567接收,否则舍弃。

例2:接收消息标识符为00001567 到0000156F 的帧

设置过滤码为00001560

设置掩码为1FFFFFF0

节点检测消息的标识符的高25位,最低的4位则不care。如果标识符最高25位相同则接收,否则舍弃。

例3:接收消息标识符为00001560 到 00001567 的帧

设置过滤码为00001560

设置掩码为1FFFFFF8

节点检测消息的标识符的高26位,最低的3位则不care。如果标识符最高26位相同则接收,否则舍弃。

例4:接收所有消息帧帧

设置过滤码为0

设置掩码为0

节点接收总线上所有消息。

如何配置?

上面介绍了帧类型,那么如何基于MCU进行配置呢?这里以STM32F407为硬件平台,使用HAL库进行初始化,看一下都对哪些地方进行了配置。一般来说,我们需要配置CAN的波特率,消息过滤器等等,下面是简单的配置的代码;

CAN_HandleTypeDef hCAN;
void MX_CAN_Init(void)
{
    CAN_FilterTypeDef   sFilterConfig;
    /*CAN单元初始化*/
    hCAN.Instance = CAN1;      /* CAN外设 */
 
    /* BTR-BRP 波特率分频器  定义了时间单元的时间长度42/(1+6+7)/6=500Kbps */
    hCAN.Init.Prescaler = 6;
    hCAN.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL;   /* 正常工作模式 */
    hCAN.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;  /* BTR-SJW 重新同步跳跃宽度 1个时间单元 */
    hCAN.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_6TQ;   /* BTR-TS1 时间段1 占用了6个时间单元 */
    hCAN.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_7TQ;   /* BTR-TS1 时间段2 占用了7个时间单元 */
    hCAN.Init.TimeTriggeredMode = DISABLE;  /* MCR-TTCM  关闭时间触发通信模式使能 */ 
    hCAN.Init.AutoBusOff = ENABLE;    /* MCR-ABOM  自动离线管理 */
    hCAN.Init.AutoWakeUp = ENABLE;    /* MCR-AWUM  使用自动唤醒模式 */
    hCAN.Init.AutoRetransmission = DISABLE;  /* MCR-NART  禁止报文自动重传   DISABLE-自动重传 */
    /* MCR-RFLM  接收FIFO 锁定模式  DISABLE-溢出时新报文会覆盖原有报文 */
    hCAN.Init.ReceiveFifoLocked = DISABLE;  
    /* MCR-TXFP  发送FIFO优先级 DISABLE-优先级取决于报文标示符 */
    hCAN.Init.TransmitFifoPriority = DISABLE; 
    if (HAL_CAN_Init(&hCAN) != HAL_OK)
    {
        //Error_Handler();
    }
 // 初始化发送器
 hCAN1_TxMessage.IDE = CAN_ID_STD;
 hCAN1_TxMessage.RTR = CAN_RTR_DATA;
 hCAN1_TxMessage.TransmitGlobalTime = ENABLE;
 
 // 初始化滤波器 设置为0 则不对消息进行过滤
    hCAN1_Filter.FilterIdHigh               = 0;  /* 要过滤的ID高位 */
    hCAN1_Filter.FilterIdLow                = 0;  /* 要过滤的ID低位 */
    hCAN1_Filter.FilterMaskIdHigh          = 0;  /* 过滤器高16位每位必须匹配 */
    hCAN1_Filter.FilterMaskIdLow            = 0;  /* 过滤器低16位每位必须匹配 */
    hCAN1_Filter.FilterFIFOAssignment   = CAN_FILTER_FIFO0;/* 过滤器被关联到FIFO 0 */
    hCAN1_Filter.FilterBank                 = 0;
    hCAN1_Filter.FilterMode                 = CAN_FILTERMODE_IDMASK; /* 工作在标识符屏蔽位模式 */
    hCAN1_Filter.FilterScale                = CAN_FILTERSCALE_32BIT;  /* 过滤器位宽为单个32位。*/
    hCAN1_Filter.FilterActivation        = ENABLE;
    hCAN1_Filter.SlaveStartFilterBank   = 0; 
 
 HAL_CAN_ConfigFilter(&hCAN, &hCAN1_Filter);
 
 while(HAL_CAN_Start(&hCAN) != HAL_OK )
 {
  printf("\nCAN_Start Failed!!");
  HAL_Delay(100);
 }
 HAL_CAN_ActivateNotification(&hCAN, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);
}

下面是CAN发送的函数,我们需要自己构建相应的消息帧格式,通常需要设置消息帧的ID格式,消息长度,具体如下;

void CAN_TxMessage(CAN_HandleTypeDef *hcan,uint16_t ID ,uint8_t aData[], uint8_t DLC)
{
    uint32_t Tx_MailBox;
    /*-1- 配置数据段长度 ----------------------------------------*/ 
 hCAN1_TxMessage.IDE  =   CAN_ID_STD;
 hCAN1_TxMessage.RTR  =   CAN_RTR_DATA;
 hCAN1_TxMessage.StdId =   ID;
    hCAN1_TxMessage.DLC     =    DLC;  
 hCAN1_TxMessage.TransmitGlobalTime = ENABLE;
    /*-2- 发送aData ---------------------------------------------*/
    while(HAL_CAN_AddTxMessage(hcan, &hCAN1_TxMessage, aData, &Tx_MailBox) != HAL_OK)
    {
        HAL_Delay(5);
    }
}

上述代码设置发送消息:

CAN_ID_STD设置为标准ID;

CAN_RTR_DATA设置消息为数据帧;

StdId为当前消息的ID;

DLC为当前消息的长度;

整体可以参考前面介绍的消息帧格式,篇幅有限,这里就先简单的介绍一下。

总结

本文对CAN总结进行了简单的介绍,CAN通讯的特点可以总结如下;

符合OSI开放式通信系统参考模型;

两线式总线结构,电气信号为差分式;

多主控制。在总线空闲时,所有的单元都可开始发送消息,最先访问总线的单元可获得发送权;多个单元同时开始发送时,发送高优先级 ID 消息的单元可获得发送权;

消息报文不包含源地址或者目标地址,仅通过标识符表明消息功能和优先级;

基于固定消息格式的广播式总线系统,短帧结构;

事件触发型。只有当有消息要发送时,节点才向总线上广播消息;

可以通过发送远程帧请求其它节点发送数据;

消息数据长度 0~8 Byte;

错误检测功能。所有节点均可检测错误,检测处错误的单元会立即通知其它所有单元;

发送消息出错后,节点会自动重发;

故障限制。节点控制器可以判断错误是暂时的数据错误还是持续性错误,当总线上发生持续数据错误时,控制器可将节点从总线上隔离;

通信介质可采用双绞线、同轴电缆和光导纤维,一般使用最便宜的双绞线;

理论上,CAN总线用单根信号线就可以通信,但还是配备了第二根导线,第二根导线与第一根导线信号为差分关系,可以有效抑制电磁干扰;

在40米线缆条件下,最高数据传输速率 1Mbps;

总线上可同时连接多个节点,可连接节点总数理论上是没有限制的,但实际可连接节点数受总线上时间延迟及电气负载的限制;

 

文章来源于小麦大叔 ,作者小麦大叔

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