通信教程 | CAN總線協(xié)議基礎(chǔ)原理

本文說的CAN即是一種總線，也是一種協(xié)議。因此，我們常聽見CAN總線，也常聽見CAN協(xié)議。

CAN協(xié)議和CANOpen協(xié)議是兩套不同的協(xié)議。從軟硬件層次來劃分，CAN協(xié)議屬于硬件協(xié)議，而CANOpen屬于軟件協(xié)議。

本文將概述CAN網(wǎng)絡(luò)，讓大家對CAN總線協(xié)議有一個全局的概念，再到底層的CAN總線協(xié)議知識。

1、CAN網(wǎng)絡(luò)

CAN網(wǎng)絡(luò)可以理解為多臺CAN設(shè)備連接在同一條CAN總線上組合成的網(wǎng)絡(luò)，其中的CAN設(shè)備我們稱之為節(jié)點。CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如下圖：

如上圖，一個CAN節(jié)點主要包含三類：MCU應(yīng)用程序、CAN控制器、CAN收發(fā)器。

1. MCU應(yīng)用程序MCU應(yīng)用程序我將其分為三塊：業(yè)務(wù)邏輯代碼、協(xié)議層代碼、底層驅(qū)動代碼。

A.業(yè)務(wù)邏輯代碼：是根據(jù)項目需求而定，也很好理解。比如我讀取一個傳感器數(shù)據(jù)，并對其做出相應(yīng)邏輯處理。

B.協(xié)議層代碼：比如后續(xù)要講述的CANOpen。

C.底層驅(qū)動代碼：配置CAN總線相應(yīng)參數(shù)、控制收發(fā)的代碼。

2.CAN控制器CAN控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)還是挺復(fù)雜的，一般現(xiàn)在CAN控制器都是與處理器集成在一起。

其實對于編程的人來說，無非也就是包含一些控制、狀態(tài)、配置等寄存器。比如我們看到有些STM32芯片帶有CAN，也就是說CAN控制器已經(jīng)集成在STM32芯片中了，我們只需要編程操作其中的寄存器即可。

3.CAN收發(fā)器CAN收發(fā)器：將CAN收發(fā)引腳（CAN_TX和CAN_RX）的TTL信號轉(zhuǎn)換成CAN總線的電平信號。

PS：你可以把CAN總線通信認為是UART通過485進行通信：CAN控制器就如UART的控制器，而CAN收發(fā)器就如485轉(zhuǎn)換芯片。

2、ISO標準化的CAN協(xié)議

寫這一章節(jié)的主要目的就是想讓大家了解CAN總線位于OSI所在層次。

1.ISO/OSI基本參照模型

【注】

ISO：International Standardization Organization國際標準化組織；

OSI：Open Systems Interconnection開放式系統(tǒng)間互聯(lián)；

2.CAN在OSI模型中的定義

【注】

LLC：Logical Link Control邏輯鏈路控制；

MAC：Medium Access Control媒介訪問控制；

從上圖可以知道CAN總線底層硬件的內(nèi)容（CAN控制器、收發(fā)器）主要位于OSI的第1層和第2層。

3、概述 CAN總線協(xié)議

CAN總線協(xié)議：就是為了保證通信（收發(fā)）數(shù)據(jù)在CAN總線上能穩(wěn)定傳輸而制訂的一套協(xié)議。

CAN總線協(xié)議的內(nèi)容很多，為方便初學(xué)者理解，本文先大概描述一下CAN總線協(xié)議，后續(xù)文章詳細講述CAN總線協(xié)議的內(nèi)容。

1.總線信號CAN總線為「兩線」「差分」信號，用隱形代表邏輯1，顯性代表邏輯0。如下圖：

2.優(yōu)先級

假如某一時刻，一個設(shè)備（節(jié)點）往總線發(fā)0，一個設(shè)備往總線發(fā)1。那么總線會呈現(xiàn)什么現(xiàn)象？

答案：最后總線呈現(xiàn)為顯性，也就是0。

3.位時序

位時序邏輯將監(jiān)視串行總線，執(zhí)行采樣并調(diào)整采樣點，在調(diào)整采樣點時，需要在起始位邊沿進行同步并后續(xù)的邊沿進行再同步。

簡單的說就是對一個bit位分幾段進行采樣，目的就是提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。在STM32中底層驅(qū)動代碼就需要進行位時序編程，在STM32參考手冊中也會發(fā)現(xiàn)如下位時序圖：

4.幀的種類和格式幀的種類有多種：數(shù)據(jù)幀：用于發(fā)送單元向接收單元傳送數(shù)據(jù)的幀。遙控幀：用于接收單元向具有相同 ID 的發(fā)送單元請求數(shù)據(jù)的幀。錯誤幀：用于當檢測出錯誤時向其它單元通知錯誤的幀。過載幀：用于接收單元通知其尚未做好接收準備的幀。幀間隔：用于將數(shù)據(jù)幀及遙控幀與前面的幀分離開來的幀。

數(shù)據(jù)幀和遙控幀有標準格式和擴展格式兩種格式。標準格式有11個位的標識符ID，擴展格式有29個位的ID。

5.位填充位填充是為防止突發(fā)錯誤而設(shè)定的功能。當同樣的電平持續(xù) 5 位時則添加一個位的反型數(shù)據(jù)。如下圖：

6.錯誤的種類

CAN總線協(xié)議內(nèi)容很多，初學(xué)者可以先了解這些，希望對你有所幫助。