CAN 是控制器局域網絡 (Controller Area Network) 的簡稱，它是由研發和生産汽車電子産品著稱的德國 BOSCH 公司開發的，并最終成為國際标準(ISO11519以及ISO11898),是國際上應用最廣泛的現場總線之一。差異點如下：

CAN 總線協議已經成為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的标準總線，并且擁有以CAN 為底層協議專為大型貨車和重工機械車輛設計的 J1939 協議。近年來，它具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強及振動大的工業環境。

我們來貼圖一個車載網絡構想圖

1.2 CAN 物理層

與 I2C、SPI 等具有時鐘信号的同步通訊方式不同，CAN 通訊并不是以時鐘信号來進行同步的，它是一種異步通訊，隻具有 CAN_High 和 CAN_Low 兩條信号線，共同構成一組差分信号線，以差分信号的形式進行通訊。我們來看一個示意圖

1.2.1 閉環總線網絡

CAN 物理層的形式主要有兩種，圖中的 CAN 通訊網絡是一種遵循 ISO11898 标準的高速、短距離“閉環網絡”，它的總線最大長度為 40m，通信速度最高為 1Mbps，總線的兩端各要求有一個“120 歐”的電阻。

1.2.2 開環總線網絡

圖中的是遵循 ISO11519-2 标準的低速、遠距離“開環網絡”，它的最大傳輸距離為 1km，最高通訊速率為 125kbps，兩根總線是獨立的、不形成閉環，要求每根總線上各串聯有一個“2.2千歐”的電阻。

1.2.3 通訊節點

從 CAN 通訊網絡圖可了解到，CAN 總線上可以挂載多個通訊節點，節點之間的信号經過總線傳輸，實現節點間通訊。由于 CAN 通訊協議不對節點進行地址編碼，而是對數據内容進行編碼的，所以網絡中的節點個數理論上不受限制，隻要總線的負載足夠即可，可以通過中繼器增強負載。

CAN 通訊節點由一個 CAN 控制器及 CAN 收發器組成，控制器與收發器之間通過 CAN_Tx 及CAN_Rx 信号線相連，收發器與 CAN 總線之間使用 CAN_High 及 CAN_Low 信号線相連。其中CAN_Tx 及 CAN_Rx 使用普通的類似 TTL 邏輯信号，而 CAN_High 及 CAN_Low 是一對差分信号線，使用比較特别的差分信号，下一小節再詳細說明。

當 CAN 節點需要發送數據時，控制器把要發送的二進制編碼通過 CAN_Tx 線發送到收發器，然後由收發器把這個普通的邏輯電平信号轉化成差分信号，通過差分線 CAN_High 和 CAN_Low 線輸出到 CAN 總線網絡。而通過收發器接收總線上的數據到控制器時，則是相反的過程，收發器把總線上收到的 CAN_High 及 CAN_Low 信号轉化成普通的邏輯電平信号，通過 CAN_Rx 輸出到控制器中。

例如，STM32 的 CAN 片上外設就是通訊節點中的控制器，為了構成完整的節點，還要給它外接一個收發器，在我們實驗闆中使用型号為 TJA1050 的芯片作為 CAN 收發器。 CAN 控制器與 CAN收發器的關系如同 TTL 串口與 MAX3232 電平轉換芯片的關系， MAX3232 芯片把 TTL 電平的串口信号轉換成 RS-232 電平的串口信号，CAN 收發器的作用則是把 CAN 控制器的 TTL 電平信号轉換成差分信号 (或者相反) 。

目前有以下CAN電平轉換芯片（不全）

我們來用TJA1050來看下原理圖：

1.2.4 差分信号

差分信号又稱差模信号，與傳統使用單根信号線電壓表示邏輯的方式有區别，使用差分信号傳輸時，需要兩根信号線，這兩個信号線的振幅相等，相位相反，通過兩根信号線的電壓差值來表示

邏輯 0 和邏輯 1。見圖，它使用了 V 與 V-信号的差值表達出了圖下方的信号。

相對于單信号線傳輸的方式，使用差分信号傳輸具有如下優點：

• 抗幹擾能力強，當外界存在噪聲幹擾時，幾乎會同時耦合到兩條信号線上，而接收端隻關心兩個信号的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

舉一個例子，正常的單線假設邏輯1是3.3V，邏輯0假設是0V，但是如果有噪聲，把3.3V弄成了0V(極端)，把0V弄成了-3.3V，此時就邏輯錯誤，但是有Can高/Can低一般都作用于兩根線，所以兩個雖然都有噪聲影響，但是差值還是不變的

• 能有效抑制它對外部的電磁幹擾，同樣的道理，由于兩根信号的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，洩放到外界的電磁能量越少。

舉一個例子，假設一根是10V，一根是-10V，單跟都會對外部造成電磁幹擾，但是CAN可以把線擰在一起，跟編麻花一樣，可以互相抵消電子幹擾

• 時序定位精确，由于差分信号的開關變化是位于兩個信号的交點，而不像普通單端信号依靠高低兩個阈值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更适合于低幅度信号的電路。

由于差分信号線具有這些優點，所以在 USB 協議、485 協議、以太網協議及 CAN 協議的物理層中，都使用了差分信号傳輸。

1.2.5 CAN 協議中的差分信号

CAN 協議中對它使用的 CAN_High 及 CAN_Low 表示的差分信号做了規定，見表及圖。以高速 CAN 協議為例，當表示邏輯 1 時 (隐性電平) ，CAN_High 和 CAN_Low 線上的電壓均為 2.5v，即它們的電壓差 VH-V:sub:L=0V；而表示邏輯 0 時 (顯性電平) ，CAN_High 的電平為 3.5V，CAN_Low 線的電平為 1.5V，即它們的電壓差為 VH-V:sub:L=2V。例如，當 CAN收發器從 CAN_Tx 線接收到來自 CAN 控制器的低電平信号時 (邏輯 0)，它會使 CAN_High 輸出3.5V，同時 CAN_Low 輸出 1.5V，從而輸出顯性電平表示邏輯 0 。

在 CAN 總線中，必須使它處于隐性電平 (邏輯 1) 或顯性電平 (邏輯 0) 中的其中一個狀态。假如有兩個 CAN 通訊節點，在同一時間，一個輸出隐性電平，另一個輸出顯性電平，類似 I2C 總線的“線與”特性将使它處于顯性電平狀态，顯性電平的名字就是這樣來的，即可以認為顯性具有優先的意味。

由于 CAN 總線協議的物理層隻有 1 對差分線，在一個時刻隻能表示一個信号，所以對通訊節點來說，CAN 通訊是半雙工的，收發數據需要分時進行。在 CAN 的通訊網絡中，因為共用總線，在整個網絡中同一時刻隻能有一個通訊節點發送信号，其餘的節點在該時刻都隻能接收。

1.3 CAN 協議層

1.3.1 CAN 的波特率及位同步

由于 CAN 屬于異步通訊，沒有時鐘信号線，連接在同一個總線網絡中的各個節點會像串口異步通訊那樣，節點間使用約定好的波特率進行通訊，特别地， CAN 還會使用“位同步”的方式來抗幹擾、吸收誤差，實現對總線電平信号進行正确的采樣，确保通訊正常。

1.3.2 位時序分解

為了實現位同步，CAN 協議把每一個數據位的時序分解成如圖 所示的 SS 段、PTS 段、PBS1 段、PBS2 段，這四段的長度加起來即為一個 CAN 數據位的長度。分解後最小的時間單位是 Tq，而一個完整的位由 8~25 個 Tq 組成。為方便表示，圖 中的高低電平直接代表信号邏輯 0 或邏輯 1(不是差分信号)。

該圖中表示的 CAN 通訊信号每一個數據位的長度為 19Tq，其中 SS 段占 1Tq， PTS 段占 6Tq， PBS1段占 5Tq， PBS2 段占 7Tq。信号的采樣點位于 PBS1 段與 PBS2 段之間，通過控制各段的長度，可以對采樣點的位置進行偏移，以便準确地采樣。

各段的作用如介紹下：

• SS 段 (SYNC SEG)

SS 譯為同步段，若通訊節點檢測到總線上信号的跳變沿被包含在 SS 段的範圍之内，則表示節點與總線的時序是同步的，當節點與總線同步時，采樣點采集到的總線電平即可被确定為該位的電平。SS 段的大小固定為 1Tq。

• PTS 段 (PROP SEG)

PTS 譯為傳播時間段，這個時間段是用于補償網絡的物理延時時間。是總線上輸入比較器延時和輸出驅動器延時總和的兩倍。PTS 段的大小可以為 1~8Tq。

• PBS1 段 (PHASE SEG1)，

PBS1 譯為相位緩沖段，主要用來補償邊沿階段的誤差，它的時間長度在重新同步的時候可以加長。PBS1 段的初始大小可以為 1~8Tq。

• PBS2 段 (PHASE SEG2)

PBS2 這是另一個相位緩沖段，也是用來補償邊沿階段誤差的，它的時間長度在重新同步時可以縮短。PBS2 段的初始大小可以為 2~8Tq。

1.3.3 通訊的波特率

總線上的各個通訊節點隻要約定好 1 個 Tq 的時間長度以及每一個數據位占據多少個 Tq，就可以确定 CAN 通訊的波特率。

例如，假設上圖中的 1Tq=1us，而每個數據位由 19 個 Tq 組成，則傳輸一位數據需要時間 T1bit=19us，從而每秒可以傳輸的數據位個數為：1x10次方/19 = 52631.6 (bps)

這個每秒可傳輸的數據位的個數即為通訊中的波特率。

1.3.4 同步過程分析

波特率隻是約定了每個數據位的長度，數據同步還涉及到相位的細節，這個時候就需要用到數據位内的 SS、PTS、PBS1 及 PBS2 段了。根據對段的應用方式差異， CAN 的數據同步分為硬同步和重新同步。其中硬同步隻是當存在“幀起始信号”時起作用，無法确保後續一連串的位時序都是同步的，而重新同步方式可解決該問題，這兩種方式具體介紹如下：

(1) 硬同步

若某個 CAN 節點通過總線發送數據時，它會發送一個表示通訊起始的信号 (即下一小節介紹的幀起始信号)，該信号是一個由高變低的下降沿。而挂載到 CAN 總線上的通訊節點在不發送數據時，會時刻檢測總線上的信号。見圖 ，可以看到當總線出現幀起始信号時，某節點檢測到總線的幀起始信号不在節點内部時序的 SS 段範圍，所以判斷它自己的内部時序與總線不同步，因而這個狀态的采樣點采集得的數據是不正确的。所以節點以硬同步的方式調整，把自己的位時序中的 SS 段平移至總線出現下降沿的部分，獲得同步，同步後采樣點就可以采集得正确數據了。

(2) 重新同步

前面的硬同步隻是當存在幀起始信号時才起作用，如果在一幀很長的數據内，節點信号與總線信号相位有偏移時，這種同步方式就無能為力了。因而需要引入重新同步方式，它利用普通數據位的高至低電平的跳變沿來同步 (幀起始信号是特殊的跳變沿)。重新同步與硬同步方式相似的地方是它們都使用 SS 段來進行檢測，同步的目的都是使節點内的 SS 段把跳變沿包含起來。重新同步的方式分為超前和滞後兩種情況，以總線跳變沿與 SS 段的相對位置進行區分。第一種相位超前的情況如圖 ，節點從總線的邊沿跳變中，檢測到它内部的時序比總線的時序相對超前 2Tq，這時控制器在下一個位時序中的 PBS1 段增加 2Tq 的時間長度，使得節點與總線時序重新同步。

第二種相位滞後的情況如圖 ，節點從總線的邊沿跳變中，檢測到它的時序比總線的時序相對滞後 2Tq，這時控制器在前一個位時序中的 PBS2 段減少 2Tq 的時間長度，獲得同步。

在重新同步的時候，PBS1 和 PBS2 中增加或減少的這段時間長度被定義為“重新同步補償寬度SJW* (reSynchronization Jump Width)”。一般來說 CAN 控制器會限定 SJW 的最大值，如限定了最大 SJW=3Tq 時，單次同步調整的時候不能增加或減少超過 3Tq 的時間長度，若有需要，控制器會通過多次小幅度調整來實現同步。當控制器設置的 SJW 極限值較大時，可以吸收的誤差加大，但通訊的速度會下降

1.3.5 CAN 的報文種類及結構

在 SPI 通訊中，片選、時鐘信号、數據輸入及數據輸出這 4 個信号都有單獨的信号線，I2C 協議包含有時鐘信号及數據信号 2 條信号線，異步串口包含接收與發送 2 條信号線，這些協議包含的信号都比 CAN 協議要豐富，它們能輕易進行數據同步或區分數據傳輸方向。而 CAN 使用的是兩條差分信号線，隻能表達一個信号，簡潔的物理層決定了 CAN 必然要配上一套更複雜的協議，如何用一個信号通道實現同樣、甚至更強大的功能呢？CAN 協議給出的解決方案是對數據、操作命令 (如讀/寫) 以及同步信号進行打包，打包後的這些内容稱為報文。

1.3.5.1 報文的種類

在原始數據段的前面加上傳輸起始标簽、片選 (識别) 标簽和控制标簽，在數據的尾段加上 CRC校驗标簽、應答标簽和傳輸結束标簽，把這些内容按特定的格式打包好，就可以用一個通道表達各種信号了，各種各樣的标簽就如同 SPI 中各種通道上的信号，起到了協同傳輸的作用。當整個數據包被傳輸到其它設備時，隻要這些設備按格式去解讀，就能還原出原始數據，這樣的報文就被稱為 CAN 的“數據幀”。

為了更有效地控制通訊，CAN 一共規定了 5 種類型的幀，它們的類型及用途說明如表

1.3.5.2 數據幀的結構

數據幀是在 CAN 通訊中最主要、最複雜的報文，我們來了解它的結構，見圖

數據幀以一個顯性位 (邏輯 0) 開始，以 7 個連續的隐性位 (邏輯 1) 結束，在它們之間，分别有仲裁段、控制段、數據段、CRC 段和 ACK 段。

2.1 CAN 控制内核

框圖中标号處的 CAN 控制内核包含了各種控制寄存器及狀态寄存器，我們主要講解其中的主控制寄存器 CAN_MCR 及位時序寄存器 CAN_BTR。

2.1.1 主控制寄存器 CAN_MCR

主控制寄存器 CAN_MCR 負責管理 CAN 的工作模式，它使用以下寄存器位實現控制。

2.1.2 位時序寄存器 (CAN_BTR) 及波特率

代碼清單 CAN 初始化結構

CAN 發送及接收結構體

CAN 篩選器結構體

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