【单片机通信协议】CAN总线基础知识

CAN总线基础知识（一）

 

1.1 CAN总线是什么？

    CAN（Controller Area Network）是ISO国际标准化的串行通信协议。广泛应用于汽车、船舶等。具有已经被大家认可的高性能和可靠性。

    CAN控制器通过组成总线的2根线（CAN-H和CAN-L）的电位差来确定总线的电平，在任一时刻，总线上有2种电平：显性电平和隐性电平。

    "显性"具有"优先"的意味，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平，并且，"隐性"具有"包容"的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平。（显性电平比隐性电平更强）。

    总线上执行逻辑上的线"与"时，显性电平的逻辑值为"0"，隐性电平为"1"。

    下图显示了一个典型的CAN拓扑连接图。

    连接在总线上的所有单元都能够发送信息，如果有超过一个单元在同一时刻发送信息，有最高优先级的单元获得发送的资格，所有其它单元执行接收操作。

1.2 CAN总线的特点

     CAN总线协议具有下面的特点：

 

    1) 多主控制

    当总线空闲时，连接到总线上的所有单元都可以启动发送信息，这就是所谓的多主控制的概念。

    先占有总线的设备获得在总线上进行发送信息的资格。这就是所谓的CSMA/CR（Carrier Sense MultipleAccess/Collosion Avoidance）方法

    如果多个设备同时开始发送信息，那么发送最高优先级ID消息的设备获得发送资格。

    2) 信息的发送

    在CAN协议中，所有发送的信息要满足预先定义的格式。当总线没有被占用的时候，连接在总线上的任何设备都能起动新信息的传输，如果两个或更多个设备在同时刻启动信息的传输，通过ID来决定优先级。ID并不是指明信息发送的目的地，而是指示信息的优先级。如果2个或者更多的设备在同一时刻启动信息的传输，在总线上按照信息所包含的ID的每一位来竞争，赢得竞争的设备（也就是具有最高优先级的信息）能够继续发送，而失败者则立刻停止发送并进入接收操作。因为总线上同一时刻只可能有一个发送者，而其它均处于接收状态，所以，并不需要在底层协议中定义地址的概念。

    3) 系统的灵活性

    连接到总线上的单元并没有类似地址这样的标识，所以，添加或去除一个设备，无需改变软件和硬件，或其它设备的应用层软件。

    4) 通信速度

    可以设置任何通讯速度，以适应网络规模。

    对一个网络，所有单元必须有相同的通讯速度，如果不同，就会产生错误，并妨碍网络通讯，然而，不同网络间可以有不同的通讯速度。

    5) 远程数据请求

可以通过发送"遥控帧"，请求其他单元发送数据。

    6) 错误检测、错误通知、错误恢复功能

所有单元均可以检测出错误（错误检测功能）。

检测到错误的单元立刻同时通知其它所有的单元（错误通知功能）。如果一个单元发送信息时检测到一个错误，它会强制终止信息传输，并通知其它所有设备发生了错误，然后它会重传直到信息正常传输出去（错误恢复功能）。

    7) 错误隔离

在CAN总线上有两种类型的错误：暂时性的错误（总线上的数据由于受到噪声的影响而暂时出错）；持续性的错误（由于设备内部出错（如驱动器坏了、连接有问题等）而导致的）。CAN能够区别这两种类型，一方面降低常出错单元的通讯优先级以阻止对其它正常设备的影响，另一方面，如果是一种持续性的错误，将这个设备从总线上隔离开。

    8) 连接

CAN总线允许多个设备同时连接到总线上且在逻辑上没有数目上的限制。然而由于延迟和负载能力的限制，实际可连接得设备还是有限制的，可以通过降低通讯速度来增加连接的设备个数。相反，如果连接的设备少，通讯的速度可以增加。

1.3错误

1.3.1 错误状态

    设备总是处于下面三个状态之一：

    1）主动错误状态

    在此状态下，设备能够参加总线上的正常通讯。如果处于主动错误状态的设备检测到一个错误，它会发送一个主动错误标志，更细节见第6章的"CAN协议"。

    2）被动错误状态

    是指易于引起错误的状态。

    尽管处于被动错误状态的设备能够参加总线上的通讯，但是在接收期间，它不可能主动地向其它设备发送错误通知，以避免影响它们的通讯。处于被动错误状态的设备即使检测到一个错误，如果其它处于主动错误状态的设备没曾检测到错误，那么也认为在总线上未曾出现过任何错误。

    当处于被动错误状态的设备检测到一个错误的时候，它发送一个被动错误标志。

    另外，处于被动错误状态的单元在发送结束后不能立刻再次开始发送。在开始下次发送前，在间隔帧期间内必须插入"暂停发送期"（由8个位的隐性位组成）。

更细节见第6章的"CAN协议"。

    3）总线切断状态

    处于此状态下时，设备不能参加总线的通讯。设备所有的收发操作都被禁止。

    这些状态是通过发送错误计数器和接收错误寄存器来管理，相关错误状态由这些计数器值的组合来标识，错误状态和计数器值之间的关系见表1和图4。

 

1.3.2 错误计数器的值

    发送和接收错误计数器的值按照规定的条件来改变。

    表2小结了错误计数器值改变的条件。

    在一个数据收发操作中可能会发生多个条件重叠。

    错误计数器增加的时间发生在错误标志的第一bit位置。

1.4．CAN协议的基本概念

    CAN协议包括OSI参考模型的传输层、数据链路层、物理层。图5显示了CAN协议每个层的定义。

    数据链路层划分为MAC（Medium Access Control媒体存取控制）和LLC（Logical Link Control罗辑链路控制）。MAC子层组成CAN协议的核心。数据链路层的功能是将从物理层接收到的信号组织成有意义的信息，提供如传输错误控制等数据传输控制流程。更具体来说，包括：信息如何封装成一帧，数据冲突仲裁、应答、错误的检测或通知。数据链路层的这些功能通常由CAN控制器硬件来实现。

    物理层定义信号的实际传输方式、位的时序、位的编码、同步的过程步骤，然而，CAN协议并没有定义了信号电平、通讯速度、采样点值、驱动器和总线电气特征、连接器形式。对每个系统，这些特征由用户自行确定。

    在BOSCH公司的CAN协议中，并没有关于收发器和总线的电气特征的定义，而在ISO CAN协议中，如ISO11898和ISO11519-2却对此有明确的定义。

 

CAN总线基础知识（二）

 

2.CAN协议和标准规范

2.1 由ISO标准化的CAN协议

    CAN协议已经由ISO标准化，有2个版本，如ISO11898和ISO11519-2，它们之间在数据链路层没什么不同，但是在物理层有些区别。

    (1)   关于ISO11898：这个标准用于高速CAN通讯。开始的时候，数据链路层和物理层都在标准ISO11898中规定，后来被拆分为ISO11898-1（仅涉及数据链路层）和ISO11898-2（仅涉及物理层）

    (2)   关于ISO11519：这个标准用于低速（最高125kbps）CAN通讯

2.2  ISO11898和ISO11519-2之间的不同

    图6显示了CAN规范的规定范围。三个物理层的子层：PLS(Physucal Signaling Sublayer物理信号子层)子层，PMA（Physical Medium Attachment物理介质连接）子层，MDI（Medium Dependent Interface介质相关接口）子层，PMA和MDI子层的定义是不一样的。

    表3列出了ISO11898和ISO11519-2之间的物理层上的不同，图7现实了通讯速度和总线长度之间的关系。

通讯速度和总线长度需要由用户按照系统要求进行设置。

     总线拓扑：

     CAN总线通常有2根线（CAN_High和CAN_Low）组成，CAN控制器通过一个收发器连接到总线上，总线的电平由CAN_High和CAN_Low的电位差来确定，总线有2个电平：显性和隐性，在任一给定的时间内，总线总是处于这2个电平之一。对于逻辑上"线与"的总线，显性和隐性电平被看作逻辑0和逻辑1，一个发送单元能够通过改变总线电平来送一个信息给接收单元。

    ISO11898和ISO11519-2规定的物理层终端阻抗、显性电平、隐性电平差分电压是不同的。

    图8显示了ISO11898和ISO11519-2物理层的特点，注意ISO11898和ISO11519-2要求一个收发器满足对应的标准，表4列出了满足ISO11898和ISO11519-2的主要收发器IC。

 

2.3  CAN和标准规范

    除了ISO，CAN规范由工业标准组织如SAE标准化，以及由一些私立研究机构和公司进行了标准化。

表5类除了一些基本的标准规范，图9显示了通讯协议用于汽车按照通讯速度分级

 

 

 

CAN总线基础知识（三）

3.1．CAN协议

3.1.1 帧类型

通讯时使用下面5个类型的帧：

    数据帧

    遥控帧

    错误帧

    过载帧

    帧间空隙

    在所有这些帧中，数据帧和遥控帧由用户设置，而其它帧则由CAN硬件设置。

    数据和遥控帧有两种格式：标准和扩展格式。标准格式有11bit的ID，而扩展格式则是29bit的ID。

    每个帧的用处见表6，每个帧的结构见图10到图14

表6 帧类型和每种类型帧的作用

3.1.2 数据帧

数据帧由发送单元使用，用来发送信息给接收单元，这是用户操作的基本帧。

数据帧有7个域组成。图15显示了数据帧的结构。

（1）帧开始（SOF）：这个域表示数据帧的开始。

（2）仲裁域：这个域表示一个帧的优先级

（3）控制域：这个域表示保留位和数据字节数

（4）数据域：这是数据内容，0-8个字节的数据能被发送

（5）CRC域：这个域用于检查帧的传输错误。

（6）ACK域：是对帧已经被正常接收的一个证实。

（7）帧结束：指示数据帧结束

   

（1）帧开始（SOF），对标准的或扩展的格式都是一样的。它指示一帧的开始，由1bit的显性位组成。

    显性电平和隐性电平：

    总线上的电平有显性电平和隐性电平两种。

    总线上执行逻辑上的线"与"时，显性电平的逻辑值为"0"，隐性电平为"1"。

    "显性"具有"优先"的意味，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平，并且，"隐性"具有"包容"的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平。（显性电平比隐性电平更强）

   

（2）仲裁域，这个域表示数据的优先级别。这个域的结构，对标准和扩展的格式是有差别的。

注1：关于ID：

    标准格式的ID有11bit，从ID28到ID18被依次发送，禁止高7位全为隐性。（禁止设定：ID=1111111xxxx）。这样总共有（2048-16）个ID能被使用。

    扩展格式的ID有29个bit。基本ID从ID28到ID18，扩展ID由ID17到ID0表示，基本ID和标准格式ID相同，禁止高7bit全都为隐性，（禁止设定：基本ID=1111111xxxx）。这样总共有（2048-16）个ID能被使用。

    在任何情况下，总线上不可能有多个设备在同一时刻使用同一个ID传输数据帧。

（3）控制域，占6个bit，指示要传输信息的数据字节数，这个域的结构，对标准和扩展的格式是有差别的。如图18所示

    注1：保留位（r0，r1），保留位必须以显性电平传送，然而，在接收侧可以接收显性、隐性集任意组合的电平。

    注2：数据长度码（DLC），数据长度码与数据的字节对应关系见表7所示。数据的字节数必须是0-8个字节，但接收方对DLC=9-15的情况并不视为错误。

（4）数据域，对标准的或扩展的格式都是一样的。这个域是传输的数据，可以是0到8个字节，字节数载控制域中指明。数据输出开始于MSB。如图19所示：

（5）CRC域，对标准的或扩展的格式都是一样的。这个域用来检查帧是否有传输错误，它由15bit CRC码和一个bitCRC定界符（delimiter）（separating bit分隔bit）

    CRC的产生方法是采用下面的多项式：，CRC的计算范围是SOF、仲裁域、控制域、数据域。在接收侧，会对接收到的数据帧的这些域进行CRC计算，如果计算结果与收到的CRC不一致，则表明存在传输错误。

（6）ACK域，是对一帧已被正常接收的一个确认信号，由2个bit组成，一个是ACK的slot，一个是ACK的定界符（delimiter），如图21所示：

    注1：发送单元的ACK域，发送单元以隐性bit发送ACK slot和ACK 的delimiter。

    注2：接收单元的ACK域，正确接收到信息的接收单元在接收帧的ACK slot里发送一个显性bit，以通知发送单元其已经正确接收完毕，这又称"sending ACK"或"returning ACK"。

"Returning an ACK"：

    所有接收单元只要不是处于bus-off或休眠状态，只有正确接收信息的单元才能发送ACK。发送单元并不发送ACK。如果总线上除了发送单元，没有其它单元能接收信息，则No ACK被返回。为了通讯的建立，除了发送单元外，至少需要有一个单元能够接收信息。如果总线上有2个或更多个单元能接收到信息，如果它们中任意一个正常接收到信息，则会有ACK被返回。

（7）帧结束，指示一帧结束，由7个隐性位组成。如图22

 

3.1.3 遥控帧

    遥控帧是接收单元请求发送单元发送一个信息，遥控帧有6个域组成。如图23显示的那样，除了没有数据域外其它与数据帧的结构是一样的。

(1) 帧开始（SOF）：这个域表示数据帧的开始。

(2) 竞争域：这个域表示数据的优先级，具有同样ID的数据帧被请求。

(3) 控制域：这个域表示保留位和数据字节数

(4) CRC域：这个域用于检查帧的传输错误。

(5) ACK域：是对帧已经被正常接收的一个证实。

(6) 帧结束：指示遥控帧的结束

   

遥控帧和数据帧：

• 数据帧和遥控帧之间的不同

1. 遥控帧没有数据域，在仲裁域里的RTR位是隐性电平，而数据帧RTR则为显性的。
2. 没有数据的数据帧与遥控帧可以通过RTR为来区分

• 遥控帧没有数据域，其数据长度码用来干什么？

1. 遥控帧的数据长度码的值表示对应请求的数据帧的数据长度码。

• 没有数据域的数据帧用来干什么？

1. 例如，数据帧可以被各单元用来作为周期连接确认/应答，或者仲裁域本身带有实质性信息。

3.1.4 错误帧

    这个帧用来通知在传输期间发生了一个错误，错误帧由一个错误标志和一个错误定界符组成，错误帧由CAN的硬件来发送。图24显示了错误帧的结构。

     (1) 错误标志：有2种错误标志类型：主动错误和被动错误标志

      a)主动错误标志：6个显性位

      b) 被动错误标志：6个隐性位

     (2) 错误定界符：由8个隐性位组成。

    注1：错误标志重叠：取决于连接到总线上的各单元检测出错误的时间，错误标志可能一个重叠在另一个上，总共可达12bit长度。

    注2：主动错误标志：处于主动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志。

    注3：被动错误标志：处于被动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志。

3.1.5 过载帧

    这个帧被接收单元用来通知还没有准备好接收帧。它由一个过载标志和一个过载定界符组成。图25显示了错误帧的结构。

    (1) 过载标志：由6个显性位组成，过载标志与错误帧的主动错误标志具有相同的结构。

    (2) 过载定界符：由8个隐性位组成，过载定界符与错误帧的错误定界符具有相同的结构。

    注1：错误标志重叠：向错误标志一样，取决于时间，过载标志可能一个重叠在另一个上，总共可达12bit长度。

3.1.6 帧间间隔

    这个帧用来隔开数据帧和遥控帧。数据和遥控帧可通过插入帧间间隔与前面传输的任何帧（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间隔。如图26所示。

（1）间隔：由3个隐性位组成。在间隔期间如果检测到显性电平，则必须发送过载帧，然而，如果间隔的第3bit是显性电平，间隔被认为是SOF

（2）总线空闲：是隐性电平，长度没有限制（它可以是0bit长）。当总线处于这种状态的时候，总线被认为是自由空闲的，任何单元都可以启动发送信息。

（3）暂停传输（传输暂停期）：有8个隐性位组成。只在处于被动错误状态的单元刚发送一个消息后的帧间隔中包含的段。

3.1.7 优先级的决定

    在总线空闲状态，最先开始发送消息的单元获得发送权。

    多个单元同时开始发送时，各发送单元从仲裁域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。丢失竞争的单元在下一bit进入接收操作。

    仲裁的过程如图27所示。

    (1)数据帧和遥控帧的优先级

    具有相同 ID 的数据帧和遥控帧在总线上竞争时，仲裁段的最后一位（RTR）为显性位的数据帧具有优先权，可继续发送。

    数据帧和遥控帧的仲裁过程如图28所示。

(2)标准格式和扩展格式的优先级

    标准格式 ID 与具有相同ID 的遥控帧或者扩展格式的数据帧在总线上竞争时，标准格式的RTR 位为显性位的具有优先权，可继续发送。

    标准格式和扩展格式的仲裁过程如图29所示。

3.1.8 位填充

    位填充是一种周期性重同步收/发操作的功能，为了防止接收节点间时序由于累积而导致的错误，如果5个bit持续了同样的电平，则添加1个bit的反向数据位。

    如图30显示的位填充机制：

（1）发送单元的操作

    在发送数据帧和遥控帧的时候，SOF-CRC段间的数据，相同电平如果持续5bit，在下一bit（第6bit）则要插入1bit与前5bit反向的电平。

（2）接收单元的操作

    在接收数据帧和遥控帧的时候，SOF-CRC段间的数据，相同电平如果持续5bit，需要删除下一bit（第6bit）再接收。如果这第6bit的电平与前5bit相同，则被视为错误，且发送错误帧。

3.1.9 错误的种类

    有5种类型的错误，可能有2个或更多的错误同时发生：

• 位错误
• 填充错误
• CRC错误
• 格式错误
• ACK错误

    表8列出了这些错误的种类、内容、错误检测帧和检测单元。

• 位错误由向总线上输出数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧的单元和输出ACK的单元、输出错误的单元来检测。
• 在仲裁段输出隐性电平，但检测出显性电平时，将被视为仲裁失利，而不是位错误。
• 在仲裁段作为填充位输出隐性电平时，但检测出显性电平时，将不视为位错误，而是填充错误。
• 发送单元在ACK 段输出隐性电平，但检测到显性电平时，将被判断为其它单元的ACK 应答，而非位错误。
• 输出被动错误标志（6 个位隐性位）但检测出显性电平时，将遵从错误标志的结束条件，等待检测出连续相同6 个位的值（显性或隐性），并不视为位错误。

(2) 格式错误

• 即使接收单元检测出EOF（7 个位的隐性位）的最后一位（第8 个位）为显性电平，也不视为格式错误。
• 即使接收单元检测出数据长度码（DLC）中9∼15 的值时，也不视为格式错误。

3.1.10 错误帧的输出时序

    检测到发生错误的单元输出一个错误标志，以通知其它单元。

    处于主动错误状态的单元输出的错误标志为主动错误标志；处于被动错误状态的单元输出的错误标志为被动错误标志。

    发送单元发送完错误帧之后，将再次发送数据帧或遥控帧。

    错误标志输出时序如表9：

3.1.11 位时序

    在没有重新同步情况下，发送单元每秒传输的位数称之为位速率。1位由下面4个段组成。

• 同步段（SS）
• 传播时间段（PTS）
• 相位缓冲段1（PBS1）
• 相位缓冲段2（PBS2）

    这些段又由称之为Time Quantum（以下称为Tq）的最小时间单位构成。

    1位分为4个段，每个段由若干个Tq构成，这称为位时序。

    1位由多少个Tq构成、每个段由多少个Tq构成等是可以设定的。通过设置bit时序。使得可以设定一个采样点以使总线上多个单元可同时采样，所谓采样点就是在这一时刻总线上的电平被锁存，这个锁存的电平作为位的值。采样点的位置在PBS1的结束处。

    表10描述了各段的作用和Tq 数。1个位的构成如图31所示。

段名称	段的作用	Tq数
同步段（SS）	多个连接在总线上的单元通过此段实现时序的定时调整，以便同步进行接收和发送的工作。 隐性电平到显性电平或显性电平到隐性电平变化的边沿被期望出现在本段。	1	8-25
传播时间段（PTS）	用于吸收网络上的物理延迟的段。包括发送单元的输出延迟、总线上信号的传播延迟、接收单元的输入延迟。 这个段的时间是以上延迟时间累加和的两倍。	1-8
相位缓冲段1（PBS1）	当信号边沿不能出现在SS 段时，此段用来矫正误差。 由于各单元以各自独立的时钟来工作，细微的时钟误差都会累积起来，PBS 段可用于吸收此误差。 为了吸收一个时钟误差，在SJW设置的范围内增减PBS1和PBS2，PBS1和PBS2越大，允许误差越大，但是通讯速度会降低。	1-8
相位缓冲段2（PBS2）		PBS1或IPT中较大者（见注1和2）
重新同步跳转宽度（SJW）	因时钟频率偏差、传送延迟等原因，某些单元可能会失去同步。SJW是所能校正的最大失去同步的宽度。	1-4*PBS1

    注1：IPT代表信息处理时间，是以采样点作为起始的时间段，用于计算后续位的位电平。这是硬件在一个采样点后立刻改变位的电平所必须要的。这个时间等于或小于2Tq，。

    注2：因为采样点是处于PBS1结束处，所以IPT和PBS2重叠。当IPT = 2Tq时，PBS2不可能选为1，因此，PBS2必须是2到8Tq。

    注3：重新同步的结果使相位缓冲段1增长，或使相位缓冲段2 缩短。相位缓冲段加长或缩短的数量有一个上限，此上限由SJW（重新同步跳转宽度）给定。重新同步跳转宽度应设置于1和最小值之间（此最小值为4*PBS1）。

    可以从一位值转换到另一位值的过渡过程得到时钟信息。这里有一个属性，即：只有后续位的一固定最大数值才具有相同的数值。这个属性使总线单元在帧期间重新同步于位流成为可能。可用于重新同步的两个过渡过程之间的最大的长度为29个位时间。

   

3.1.12 同步是如何获得的？

    CAN总线的通讯是采用NRZ（Non-Return to Zero，非归0）码，数据本身并不携带时钟信息，也即在每一位的开始或结束没有同步信号，发送单元以位时序同步的方式开始发送帧数据，接收单元根据总线电平的变化进行同步并进行接收工作。

    然而，发送器和接收器之间由于彼此的时钟误差或传输路径的相位误差可能会失去同步关系，因此接收单元在接收帧的时候，必须通过硬件同步或重新同步调整它的操作时序。

3.1.13 硬件同步

    在总线空闲状态时，接收单元检测到SOF，就会执行这个同步调整过程。"隐式"电平跳变到"显式"电平的边缘的时间点被认为是SS，而不管SJW的值

    图32显示了硬件同步机制。

• 如果沿出现在SS里，沿的相位误差e=0；
• 如果沿位于采集点（PBS1结束之前）之前，e>0；
• 如果沿位于采集点之后，e<0；

3.1.14 重新同步机制

    在接收过程中检测到总线电平发生了改变时执行重新同步操作。

    每当检测到一个边沿（总线电平的改变），收发单元根据SJW值通过增加PBS1段或减少PBS2段，来调整同步。但，如果发生了超出SJW值的误差时，最大调整量不能超过SJW值。

    图33显示了重新同步机制。

1.15 调整同步的规则

    硬件同步和再同步的执行遵从如下规则：

    1) 在1个位时间里（或者说在2个采样点之间），只允许一个同步（或者说只进行一次同步调整）。

    2) 只有当采样点之前的总线电平和边沿后的总线电平不同时，该边沿才能用于调整同步。

    3) 如果出现隐性电平到显性电平变化的边沿，且条件（1）和（2）满足，将进行同步。

    4) 如果在帧间间隙期间发生隐性电平到显性电平的信号边沿（除了间隙里的第一位），则总会执行硬件同步。

    5) 如果发生从所有其它隐性电平到显性电平的信号边沿，则执行再同步。

    6) 如果发送单元自身输出的显性电平被检测到有延迟，则不执行再同步。

 

SAE：代表汽车工程师协会（Societyof Automotive Engineers）

NMEA：代表国家海洋教育者协会（NationalEducators Association）

SDS：代表智能分布系统（SmartDistributed System）

Class：SAE的分类名称