大家好，我是小麥。最近在調試一個CAN總線的設備時遇到了一些問題，在此簡單總結一下。本文將對CAN總線進行簡單介紹，包括CAN的硬件鏈路層、協議層，以及調試的一些心得。

目錄

• 什么是CAN總線？

• 物理層

  • 差分信號

  • 連接方式

  • CAN節點

• CAN協議

• 如何尋址？

• 幀類型

  • 數據幀

  • 遠程幀

  • 錯誤幀

  • 過載幀

• 消息時序以及同步

  • 位時序

  • 波特率

  • 消息過濾器

• 如何配置？

• 總結

• 參考

什么是CAN總線？

Controller Area Network，簡稱CAN或者CAN bus) 是一種功能豐富的串行總線標準，最早的CAN控制芯片在奔馳車上應用并量產，因為支持多主機，多從機的優點，所以一輛車所有控制器，傳感器，電子設備直接的通信只需要兩條線就夠了，大大優化了整車的布線。[^wiki can bus]

隨著技術的不斷發展，CAN發布了相應的標準，國際化標準組織，公布了CAN的不同標準；

ISO 11898-1 ，ISO 11898-2是對應的設計標準，去搜索就可以知道這個技術點是如何進行設計的。

物理層

差分信號

這里我們介紹一下物理層，什么是物理層呢？就是CAN的電信號的傳輸過程。CAN是串行異步通訊，只有CAN_HIGH和CAN_LOW兩條差分信號線，數據通過差分信號的方式進行通訊，其優點就是可以增加信號的抗干擾能力，抑制共模信號的干擾；

具體如下圖所示；

所以，信號在變成一個字節一個字節的數字信號之前，就是按照這種差分形式的模擬信號來傳輸的。

我們可以簡單地理解一下，當CAN_HIGH減去CAN_LOW大于某個閾值的時候，可以把它當做邏輯高，反之，當小于某一個閾值時，就變成邏輯低。

下面我們再來看看CAN總線設備之間是如何連接的。

連接方式

CAN總線支持多個節點掛載在總線上，比較類似I2C總線，可以在SCL和SDA上掛載多個從機，具體如下圖所示；

不過CAN總線其實沒有主從的概念，每個設備都是一個節點（Node），節點直接可以相互通訊，相較于I2C總線，CAN總線設置了終端電阻，常見的一種閉環連接模式，相對的還有開環的連接模式。

不同的連接模式，他們的通訊速率也大不相同，這里也就是高速CAN和低速CAN的區別。

兩條電線組成一條雙絞線，并且接有120Ω的特性阻抗。ISO 11898-2，也稱為高速度CAN。它在總線的兩端均接有120Ω電阻。

使用了120Ω終端電阻（這是CAN的ISO標準里規定的），這種模式的最高通訊速率可以達到1Mbps，下面是傳輸距離和傳輸速度的關系；

高速CAN的拓撲結構具體如下所示；

還有一種是低速CAN，或者也叫做容錯CAN，低速容錯 CAN 總線將通訊的最大帶寬從 1 Mbps 降低到 125 Kbps，并且不再在總線的起點和終點使用兩個終端電阻，而是將電阻分布在每個節點上。具體如下圖所示；

由于高速CAN和低速CAN的拓撲結構不同，另外終端電阻的分布也不同，所以CAN_HIGH和CAN_LOW上的電平是不相同的，這里有隱性電平和顯性電平。

硬件上的連接基本上都搞清楚了，下面就是如何去實現一個具體的CAN節點。我們來簡單地介紹一下。

CAN節點

CAN節點通常分為三個部分；

• MCU/CPU；
• CAN控制器，
• CAN收發器；

通常一些單片機內部就集成了相應的CAN控制器外設，比如我們比較常用的單片機——STM32，所以我們常見的結構一般是這樣子的。

所以整體的流程是這樣的，如下：

• CAN總線上通過差分信號進行數據傳輸；
• CAN收發器將差分信號轉換為TTL電平信號，或者將TTL電平信號轉換為差分信號；
• CAN控制器將TTL電平信號接收，并傳輸給MCU；

那么，對于單片機開發者而言，需要關注的就是最終CAN控制器傳輸給MCU的數據，如何去配置CAN控制器，以及使用CAN控制進行數據的讀取和發送。

既然這樣，我們就不得不去了解一下CAN總線的通信原理，如何尋址，上層協議如何規定的。

CAN協議

CAN協議和網絡協議比較類似，進行了分層的設計思想；

按照我的理解；

• 物理層就是前面提到過的硬件拓撲結構，包括高速CAN和低速CAN，而CAN收發器就屬于物理層；
• 傳輸層則是CAN控制器所需要做的事情，包括CAN時序，同步，消息仲裁，確認，錯誤檢驗等，這個比較復雜，如果只是應用開發，我認為，簡單了解一下即可；這一層需要做的工作包括：
  • 故障約束；
  • 錯誤監測；
  • 消息驗證；
  • 信息確認；
  • 仲裁；
  • 信息幀；
  • 傳輸速率和時間；
  • 路由信息；
• 對象層，MCU應該是屬于這一層，我們需要對CAN消息做信息的過濾設置，CAN消息的處理等等；
• 應用層就是基于對象層的進一步封裝，不同的CAN標準，比如工業自動化領域的CANopen，汽車診斷ISO 14229 定義的UDS等等；

如何尋址？

CAN總線上的每個節點不需要設置節點的地址，而是通過消息的標識符（Identifier）來區別信息。因為CAN總線的消息是廣播的（就是大家都可以收到消息），比如總線上有節點A，節點B，節點C，那么節點A發消息，節點B和節點C都會收到消息；

節點B 和 節點C 會根據消息中的標識符，以及B和C中的消息過濾規則進行比較，如果不滿足規則，就不接受這條信息。

這里需要注意的是：

• 發送消息的時候，總線必須處于空閑狀態；
• 標識符越小，則消息獲取總線的優先級越高；

在這里我們已經了解如何尋址，下面就看一下消息幀了。

幀類型

CAN有4種幀類型：

• 數據幀：包含用于傳輸的節點數據的幀
• 遠程幀：請求傳輸特定標識符的幀
• 錯誤幀：由任何檢測到錯誤的節點發送的幀
• 過載幀：在數據幀或遠程幀之間插入延遲的幀

這里我們有必要重點了解一下數據幀，下面繼續介紹各種幀之間的區別。

數據幀

數據幀分為標準幀和擴展幀兩種格式；

• 基本幀格式：有11個標識符位
• 擴展幀格式：有29個標識符位

數據幀的結構具體如下所示；

簡單介紹一下數據幀的細節；

• sof：start of frame，表示數據幀開始；（1 bit）

• Identifier：標準格式11 bit，擴展格式29 bit包括Base Identifier（11 bit）和Extended Identifier（18 bit），該區段標識數據幀的優先級，數值越小，優先級越高；

• RTR：遠程傳輸請求位，0時表示為數據幀，1表示為遠程幀，也就是說RTR=1時，消息幀的Data Field為空；（1 bit）

• IDE：標識符擴展位，0時表示為標準格式，1表示為擴展格式；（1 bit）

• DLC：數據長度代碼，0~8表示數據長度為0~8 Byte；（4 bit）

• Data Field：數據域；（0~8 Byte）

• CRC Sequence：校驗域，校驗算法,

• DEL：校驗域和應答域的隱性界定符；（1 bit）

• ACK：應答，確認數據是否正常接收，所謂正常接收是指不含填充錯誤、格式錯誤、 CRC 錯誤。發送節點將此位為1，接收節點正常接收數據后將此位置為0；（1 bit）

• SRR：替代遠程請求位，在擴展格式中占位用，必須為1；（1 bit）

• EOF：連續7個隱性位（1）表示幀結束；（7 bit）

• ITM：幀間空間，Intermission (ITM)，又稱Interframe Space (IFS)，連續3個隱性位，但它不屬于數據幀。幀間空間是用于將數據幀和遠程幀與前面的幀分離開來的幀。數據幀和遠程幀可通過插入幀間空間將本幀與前面的任何幀（數據幀、遙控幀、錯誤幀、過載幀）分開。過載幀和錯誤幀前不能插入幀間空間。

遠程幀

一般地，數據是由發送單元主動向總線上發送的，但也存在接收單元主動向發送單元請求數據的情況。遠程幀的作用就在于此，它是接收單元向發送單元請求發送數據的幀。遠程幀與數據幀的幀結構類似，如上圖X所示。遠程幀與數據幀的幀結構區別有兩點：

• 數據幀的 RTR 值為“0”，遠程幀的 RTR 值為“1”
• 遠程幀沒有數據塊

遠程幀的 DLC 塊表示請求發送單元發送的數據長度（Byte）。當總線上具有相同標識符的數據幀和遠程幀同時發送時，由于數據幀的 RTR 位是顯性的，數據幀將在仲裁中贏得總線控制權。

錯誤幀

用于在接收和發送消息時檢測出錯誤時，通知錯誤的幀。錯誤幀由錯誤標志和錯誤界定符構成。錯誤幀的幀結構如圖11示。

• 錯誤標志：

  個顯性/隱性重疊位

  • 主動錯誤標志（6個顯性位）：處于主動錯誤狀態的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標志
  • 被動錯誤標志（6個隱性位）：處于被動錯誤狀態的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標志

• 錯誤界定符：8 個隱性位

過載幀

過載幀是用于接收單元通知發送單元它尚未完成接收準備的幀。在兩種情況下，節點會發送過載幀：

• 接收單元條件的制約，要求發送節點延緩下一個數據幀或遠程幀的傳輸；
• 幀間空間（Intermission）的 3 bit 內檢測到顯性位

每個節點最多連續發送兩條過載幀。過載幀由過載標志和過載界定符（8 個隱性位）構成。數據幀的幀結構如圖12所示。

這里基本把幀介紹完了，但是每個節點之間的通訊，我們如何知道這一幀開始接收了，這一幀已經接收結束了呢？下面就需要了解一下消息的時序和消息同步的方法。

消息時序以及同步

位時序

在講CAN消息時序和同步之前，我們可以對照一下UART串口的傳輸協議，他有起始位和停止位，然后大家都規定使用相同的通訊速率（波特率）；

其實CAN通訊也是類似的方式，它屬于異步通訊，沒有時鐘信號線，所以所有節點之間要約定好使用相同的波特率來傳輸數據。

在總線空閑一段時間后，在（起始位） 進行硬同步，同步方式是將每一位劃分成多個稱為量子的時間段（time quanta），并分配一定數量的量子到位中的四個階段完成的。

這四個階段分別為：

• SYNC_SEG：同步段，1 個時間量子長度。它用于同步各種總線節點；
• PROP_SEG：傳播段，1~8 時間量子長度。它用于補償網絡上的信號延遲。
• PHASE_SEG_1：相位緩沖段1，1~8 時間量子長度。它用于補償邊緣相位誤差，在重新同步期間可能會延長。
• PHASE_SEG_2：相位緩沖段2，2~8 時間量子長度。它用于補償邊緣相位誤差

具體如下圖所示；

波特率

如何計算波特率，需要知道每個量子時間的長度（time quanta），以及每一位需要多少個量子時間，

假設這里time quanta = 1us ，并且1 bit = 8 tq，那么上圖中的波特率就應該是：

消息過濾器

前面有提到消息在CAN總線上是廣播式的，但并不是所有節點都會對總線上所有消息感興趣。節點通過控制器中過濾碼（Filter Code ）和掩碼（Mask Code），再檢驗總線上消息的標識符，來判斷是否接收該消息（Message Filtering）。

對于掩碼，“1”表示該位與本節點相關，“0”表示該位與本節點不相關。舉例如下：

例1：僅接收消息標識符為00001567（十六進制）的幀

• 設置過濾碼為00001567
• 設置掩碼為1FFFFFFF

節點檢測消息的標識符的所有位（29位），如果標識符為00001567接收，否則舍棄。

例2：接收消息標識符為00001567 到0000156F 的幀

• 設置過濾碼為00001560
• 設置掩碼為1FFFFFF0

節點檢測消息的標識符的高25位，最低的4位則不care。如果標識符最高25位相同則接收，否則舍棄。

例3：接收消息標識符為00001560 到 00001567 的幀

• 設置過濾碼為00001560
• 設置掩碼為1FFFFFF8

節點檢測消息的標識符的高26位，最低的3位則不care。如果標識符最高26位相同則接收，否則舍棄。

例4：接收所有消息幀幀

• 設置過濾碼為0
• 設置掩碼為0

節點接收總線上所有消息。

如何配置？

上面介紹了幀類型，那么如何基于MCU進行配置呢？這里以STM32F407為硬件平臺，使用HAL庫進行初始化，看一下都對哪些地方進行了配置。一般來說，我們需要配置CAN的波特率，消息過濾器等等，下面是簡單的配置的代碼；

CAN_HandleTypeDefhCAN;
voidMX_CAN_Init(void)
{
CAN_FilterTypeDefsFilterConfig;
/*CAN單元初始化*/
hCAN.Instance=CAN1;/*CAN外設*/

/*BTR-BRP波特率分頻器定義了時間單元的時間長度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重新同步跳躍寬度1個時間單元*/
hCAN.Init.TimeSeg1=CAN_BS1_6TQ;/*BTR-TS1時間段1占用了6個時間單元*/
hCAN.Init.TimeSeg2=CAN_BS2_7TQ;/*BTR-TS1時間段2占用了7個時間單元*/
hCAN.Init.TimeTriggeredMode=DISABLE;/*MCR-TTCM關閉時間觸發通信模式使能*/
hCAN.Init.AutoBusOff=ENABLE;/*MCR-ABOM自動離線管理*/
hCAN.Init.AutoWakeUp=ENABLE;/*MCR-AWUM使用自動喚醒模式*/
hCAN.Init.AutoRetransmission=DISABLE;/*MCR-NART禁止報文自動重傳DISABLE-自動重傳*/
/*MCR-RFLM接收FIFO鎖定模式DISABLE-溢出時新報文會覆蓋原有報文*/
hCAN.Init.ReceiveFifoLocked=DISABLE;
/*MCR-TXFP發送FIFO優先級DISABLE-優先級取決于報文標示符*/
hCAN.Init.TransmitFifoPriority=DISABLE;
if(HAL_CAN_Init(&hCAN)!=HAL_OK)
{
//Error_Handler();
}
//初始化發送器
hCAN1_TxMessage.IDE=CAN_ID_STD;
hCAN1_TxMessage.RTR=CAN_RTR_DATA;
hCAN1_TxMessage.TransmitGlobalTime=ENABLE;

//初始化濾波器設置為0則不對消息進行過濾
hCAN1_Filter.FilterIdHigh=0;/*要過濾的ID高位*/
hCAN1_Filter.FilterIdLow=0;/*要過濾的ID低位*/
hCAN1_Filter.FilterMaskIdHigh=0;/*過濾器高16位每位必須匹配*/
hCAN1_Filter.FilterMaskIdLow=0;/*過濾器低16位每位必須匹配*/
hCAN1_Filter.FilterFIFOAssignment=CAN_FILTER_FIFO0;/*過濾器被關聯到FIFO0*/
hCAN1_Filter.FilterBank=0;
hCAN1_Filter.FilterMode=CAN_FILTERMODE_IDMASK;/*工作在標識符屏蔽位模式*/
hCAN1_Filter.FilterScale=CAN_FILTERSCALE_32BIT;/*過濾器位寬為單個32位。*/
hCAN1_Filter.FilterActivation=ENABLE;
hCAN1_Filter.SlaveStartFilterBank=0;

HAL_CAN_ConfigFilter(&hCAN,&hCAN1_Filter);

while(HAL_CAN_Start(&hCAN)!=HAL_OK)
{
printf("
CAN_StartFailed!!");
HAL_Delay(100);
}
HAL_CAN_ActivateNotification(&hCAN,CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);
}

下面是CAN發送的函數，我們需要自己構建相應的消息幀格式，通常需要設置消息幀的ID格式，消息長度，具體如下；

voidCAN_TxMessage(CAN_HandleTypeDef*hcan,uint16_tID,uint8_taData[],uint8_tDLC)
{
uint32_tTx_MailBox;
/*-1-配置數據段長度----------------------------------------*/
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-發送aData---------------------------------------------*/
while(HAL_CAN_AddTxMessage(hcan,&hCAN1_TxMessage,aData,&Tx_MailBox)!=HAL_OK)
{
HAL_Delay(5);
}
}

上述代碼設置發送消息：

• CAN_ID_STD設置為標準ID；
• CAN_RTR_DATA設置消息為數據幀；
• StdId為當前消息的ID；
• DLC為當前消息的長度；

整體可以參考前面介紹的消息幀格式，篇幅有限，這里就先簡單的介紹一下。

總結

本文對CAN總結進行了簡單的介紹，CAN通訊的特點可以總結如下；

• 符合OSI開放式通信系統參考模型；
• 兩線式總線結構，電氣信號為差分式；
• 多主控制。在總線空閑時，所有的單元都可開始發送消息，最先訪問總線的單元可獲得發送權；多個單元同時開始發送時，發送高優先級 ID 消息的單元可獲得發送權；
• 消息報文不包含源地址或者目標地址，僅通過標識符表明消息功能和優先級；
• 基于固定消息格式的廣播式總線系統，短幀結構；
• 事件觸發型。只有當有消息要發送時，節點才向總線上廣播消息；
• 可以通過發送遠程幀請求其它節點發送數據；
• 消息數據長度 0~8 Byte；
• 錯誤檢測功能。所有節點均可檢測錯誤，檢測處錯誤的單元會立即通知其它所有單元；
• 發送消息出錯后，節點會自動重發；
• 故障限制。節點控制器可以判斷錯誤是暫時的數據錯誤還是持續性錯誤，當總線上發生持續數據錯誤時，控制器可將節點從總線上隔離；
• 通信介質可采用雙絞線、同軸電纜和光導纖維，一般使用最便宜的雙絞線；
• 理論上，CAN總線用單根信號線就可以通信，但還是配備了第二根導線，第二根導線與第一根導線信號為差分關系，可以有效抑制電磁干擾；
• 在40米線纜條件下，最高數據傳輸速率 1Mbps；
• 總線上可同時連接多個節點，可連接節點總數理論上是沒有限制的，但實際可連接節點數受總線上時間延遲及電氣負載的限制；

參考

1. Learning Module CAN -Vector
2. CAN Bus -Wikipedia
3. Can Bus Id Filter And Mask - De Montfort University
4. Introduction to the Controller Area Network - TI
5. NXP Application-note/AN1798 - NXP
6. Car CAN Bus - Xiaomin

本著對自己和對他人負責的原則，由于我接觸CAN的時間也不是很久，本文很多是基于個人在項目中學習和總結的經驗，所以文中難免存在錯誤和不足，請各位不吝賜教，及時指出。如果文章幫到了你，請幫忙點個贊、點個在看吧！