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最近在调试一个CAN总线的设备遇到一些问题，简单总结一下。本文会对CAN总线进行简单介绍，CAN的硬件链路层，协议层，以及调试的一些心得。
目录
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什么是CAN总线？
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物理层
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差分信号
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连接方式
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CAN节点
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CAN协议
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如何寻址？
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帧类型
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数据帧
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远程帧
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错误帧
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过载帧
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消息时序以及同步
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位时序
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波特率
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消息过滤器
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如何配置？
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总结
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参考
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。[^wiki can bus]
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_HIGH和CAN_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；
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SCL和SDA上挂载多个从机，具体如下图所示；
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；
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；
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；
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_HIGH和CAN_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；
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。
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；
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；
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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；
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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；
数据帧格式简单介绍一下数据帧的细节；
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sof：start 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。
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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
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错误界定符：8 个隐性位
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。
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：
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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；
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
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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("
CAN_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：
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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；
工商网监
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