【嵌入式】CAN总线详解

【嵌入式】CAN总线详解

一、CAN总线简介

CAN总线是一种控制器局域网总线,每一个挂载在CAN局域网的设备,都可以利用CAN去发送信息,也可以接收局域网的各种信息,每个设备都是平等的,共享CAN的资源。广泛应用于汽车、嵌入式和工业控制等领域。

总线特征:

  • 两根通信线路(CAN_H, CAN_L)路线少,无需共地
  • 差分信号通信,抗干扰能力强
  • 异步通信,无需时钟线,通信速率由设备各自约定
  • 半双工,可挂载多个设备,多个设备同时发送数据会通过仲裁判断先后顺序
  • 11位/29位报文ID,用于区分消息功能和优先级
  • 可配置1~8Byte有效载荷
  • 包括广播式和请求式两种传输方式

CAN总线一共有五种帧
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二、CAN物理层

2.1 CAN硬件电路

在CAN中,每个设备通过CAN收发器挂载在CAN总线网络上。CAN控制器引出的TX和RX与CAN收发器相连,CAN收发器引出的CAN_H和CAN_L分别与总线的CAN_H和CAN_L相连。CAN总线分为高速CAN总线和低速CAN总线两种
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2.2 CAN的电平标准

高速CAN规定,电压差为0V的时候表示为逻辑1(隐形电平),电压差为2V的时候为逻辑0(显性电平)
低速CAN规定,电压差为-1.5V的时候表示为逻辑1(隐性电平),电压差为3V的时候表示为逻辑0(显性电平)。低速CAN传输距离更远,因此有可能有压降,所以他的显隐性之间的电压差更大。但是这也使得他的显隐性切换所需的时间更大,因此低速CAN传输速率不如高速CAN。

显性和隐性表示的是总线的状态,两线自然状态下的默认状态为隐性状态。而逻辑0和逻辑1则是电路约定俗成的逻辑规定
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在这简单提一嘴STM32用的CAN收发器——TJA1050。其实其他MCU也能用,大概是会将MCU输出的高低电平通过电路转化为CAN标准中的逻辑0和逻辑1。同样,CAN总线上传输的数据也会通过该收发器转化为高低电平。这主要是因为MCU的0和1的实际电路表示是和CAN总线的不一样。详情可以看High speed CAN transceiver TJA1050中文数据手册

2.3 CAN物理层汇总

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三、CAN总线的帧格式

在物理层上规定了0和1的表示方式之后,就需要对01数据流进行定义,定义每一位的具体意思,汇总成协议,供CAN总线及其各个设备的解析和通信使用。CAN协议规定了以下五种类型的帧
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3.1 数据帧

数据帧组成如下:
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图中灰色表示必须为显性(0),白色表示必须为隐形(1),紫色则表示是我们可以自行制定的位。

首先,在发送之前,总线一定要处于空闲状态,也就是隐性电平(1),数据帧第一位则以显性电平(0)作为起始位

  • 仲裁段:发送起始位之后则是连续11位的报文ID,用于表明身份。RTR为远程请求标志位, 用于区分是数据帧还是遥控帧,在数据帧里为显性0
  • 控制段:控制端第一个是IDE,为ID扩展标志位,用于标志是标准格式还是扩展格式,标准格式为0,扩展格式为1。本文主要讲标准模式。接下来的r0为保留位。然后是4位的DLC,用于表达数据段的长度,以字节为单位 。、
  • 数据段:长度为0~64位,根据DLC的值确定
  • CRC段:使用CRC循环冗余检测码的CRC段,长度16,包含15位CRC码和一位的CRC界定符,界定符必定为隐性1
  • ACK段:包括ACK槽和ACK界定符,用于标记该数据帧是否有设备收到。发送方在发送数据帧到ACK段的时候,则会释放总线,总线回归到隐性1。任意接收方读取数据帧读取到ACK位的时候,都会拉开总线,使得总线处于显性0的状态。发送方释放总线,会读取总线状态,如果发现总线为显性0,则表示该数据帧有至少一个接收方接收到了;否则则没人收到。需要注意的是,一个数据帧并不是发送方全部发送一整个帧后再等待应答的,而是发送方再ACK位上交出控制权,和接收方共同完成了整个帧的发送
  • 结束段:发送方发送七个隐性1,作为EOF,表示结束

接下来简单说一下扩展模式,扩展模式的用途是扩展ID段。当IDE位为1的时候,原RTR位变为闲置的SRR位,则接下来的18位为扩展的ID段和一位的RTR,然后再接一位的IDE,此时的IDE固定为隐性1

3.2 遥控帧

遥控帧主要用于主动请求设其他设备发送数据,无数据负载。他和数据帧十分类似。
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广播式发送数据指的是发送方会按照一定频率发送帧。而请求式发送数据,则是设备A发送请求B发送数据的遥控帧,然后数据B收到请求后发送数据帧。主要是通过RTR位区分遥控帧和数据帧,当RTR为隐性1的时候,为遥控帧。遥控帧中的ID字段则是表示请求的目标ID。

3.3 错误帧

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总线上所有设备都会监督总线的数据,一旦发现“位错误”或“填充错误”或“CRC错误”或“格式错误”或“应答错误” ,这些设备便会发出错误帧来破坏数据,同时终止当前的发送设备。错误帧可以叠加在数据帧上,并且可以破坏数据帧。

3.4 过载帧

当发送方发送太快,接收方接受不来的时候,会发送过载帧,破坏发送方发送的帧内容,这会导致发送方的CRC校验不通过,然后发送方就会重试。在破坏和重试之间,一方面会延缓数据的发送,另一方面间接告诉发送方,接收方暂时收不了,发送方可以调整发送速率。
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3.5 帧间隔

将数据帧和遥控帧与前面的帧分离开,分为主动错误和被动错误:主动错误为3位间隔,被动错误位三位帧间隔加8位延迟传输。此处不展开
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3.6 位填充

除了常用数据帧之外,CAN总线协议还会进行位填充。

位填充规则:发送方每发送5个相同电平后,自动追加一个相反电平的填充位,接收方检测到填充位时,会自动移除填充位,恢复原始数据。

  • 增加波形的定时信息,利于接收方执行“再同步”,防止波形长时间无变化,导致接收方不能精确掌握数据采样时机
  • 将正常数据流与“错误帧”和“过载帧”区分开,标志“错误帧”和“过载帧”的特异性。因为错误帧会出现连续六个的相同电平,可以一眼看出是错误帧。
  • 保持CAN总线在发送正常 数据流时的活跃状态,防止被误认为总线空闲。CAN协议规定连续11个隐性1会被认为是空闲。

第四章 位同步

CAN总线没有时钟线,是一种异步通信总线,总线上的所有设备通过约定波特率的方式确定每一个数据位的时长。发送方和接收方会以指定的速率进行数据收发。但是这样还会有一些问题:

  1. 接收方以约定的位时长进行采样,但是采样点没有对齐数据位中心附近
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  2. 接收方刚开始采样正确,但是时钟有误差,随着误差积累,采样点逐渐偏离
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    这就需要位同步机制来保证同步采集。同步机制中一个关键的概念是位时序

为了灵活调整每个采样点的位置,使采样点对齐数据位中心附近,CAN总线对每一个数据位的时长进行了更细的划分,分为同步段(SS)、传播时间段(PTS)、相位缓冲段1(PBS1)和相位缓冲段2(PBS2),每个段又由若干个最小时间单位(Tq)构成

其中每个段的长度可以自定义:SS = 1Tq,PTS = 1~8Tq,PBS1 = 1~8Tq, PBS2 = 2~8Tq。CAN协议要求跳变沿必须出现在SS段,如果跳变沿出现在其他时段,则会使用同步机制进行同步。

PTS负责容纳总线上信号传播的延时。PBS1和PBS2用于控制采样点,理想采样点应该出现在PBS1和PBS2中间,通过设定PBS1和PBS2的长度,可以控制采样点的位置

4.1 硬同步

硬同步负责将接收方的第一个采样点和波形的第一位对齐。当某个设备(发送方)率先发送报文,其他所有设备(接收方)收到SOF的下降沿时,接收方会将自己的位时序计时周期拨到SS段的位置,与发送方的位时序计时周期保持同步

这样,接收方和发送方的时钟就完成了硬同步,硬同步主要解决第一类同步问题
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4.2 再同步

再同步主要解决第二类同步问题

若发送方或接收方的时钟有误差,随着误差积累,数据位边沿逐渐偏离SS段,则此时接收方根据再同步补偿宽度值(SJW)通过加长PBS1段,或缩短PBS2段,以调整同步。一般SJW设置在1~3Tq,这取决于各个设备之间的时间精度。

再同步可以发生在第一个下降沿之后的每个数据位跳变边沿。这也是为什么需要进行位填充,因为电平长时间不跳变,那会无法进行再同步机制,会导致位之间的间隔变得模糊。
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五 总线的资源分配规则

CAN总线上只有一对差分信号线,因此同一个时间只能由要给设备操作总线发送数据,我们需要指定资源分配规则,依次满足多个设备发送的需求

5.1 先到先得

若当前已经有设备正在操作总线发送数据帧/遥控帧,则其他任何设备不能再同时发送数据帧/遥控帧(可以发送错误帧/过载帧破坏当前数据)

那么怎么表示总线空闲呢?任何设备检测到连续11个隐性电平,即认为总线空闲。

5.2 非破坏性仲裁

若多个设备的发送需求同时到来或因等待而同时到来,则CAN总线协议会根据ID号(仲裁段)进行非破坏性仲裁,ID号小的(优先级高)取到总线控制权,ID号大的(优先级低)仲裁失利后将转入接收状态,等待下一次总线空闲时再尝试发送

首先非破坏仲裁有两个要求:

  1. 线与特性:总线上任何一个设备发送显性电平0时,总线就会呈现显性电平0状态,只有当所有设备都发送隐性电平1时,总线才呈现隐性电平1状态
  2. 回读机制:每个设备发出一个数据位后,都会读回总线当前的电平状态,以确认自己发出的电平是否被真实的发送出去了,根据线与特性,发出显性0读回必然是0,发出隐性1读回不一定是1,因为总线上可能会有别的设备在发送显性0

接下来我们详细了解CAN中的仲裁机制和依据:
简单来讲,其仲裁机制为:数据位从前到后依次比较,出现差异且数据位为1的设备仲裁失利

以下图为例,有两个单元同时发送数据,首先两个SOF段都是隐性1,然后接着是仲裁段,里面是报文ID号,直到红色部分,单元1发送了隐性1,单元2发送了显性0,在总线上显示为显性0。对于单元2,发送和回读数据一致,继续发送;对于单元1,发送和回读数据不一致,证明有设备在和它一同发送数据,并且其仲裁段ID号比设备1小(ID小者优先级高),那么设备1则仲裁失利,停止发送推迟到下一个帧再次发送。
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当ID号一样的时候,数据帧优先级高于遥控帧,因为RTR位中数据帧为显性0,遥控帧为隐性1。换个说法,遥控帧是申请数据的,数据帧是发送数据的,那自然是优先发送负载有别人需要的数据的数据帧

同样,标准格式优先级高于扩展格式,因为IDE位标准格式为显性0,扩展格式相反

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