CAN总线协议底层基础原理

程序员库森

关注+星标公众号，不错过精彩内容
6 F: B: h5 g; J, G

ktgipsytydt64063124825.jpg

" e3 A9 Y  @) g& ^& p# R6 A作者 | strongerHuang微信公众号 | strongerHuang
  x, r% X. q* o2 v本文说的CAN即是一种总线，也是一种协议。因此，我们常听见CAN总线，也常听见CAN协议。
# N% `) v& M: p3 G0 D% t! u
( z  ?% h8 B: a: M, rCAN协议和CANOpen协议是两套不同的协议。从软硬件层次来划分，CAN协议属于硬件协议，而CANOpen属于软件协议。

本文将概述CAN网络，让大家对CAN总线协议有一个全局的概念，再到底层的CAN总线协议知识。
. f$ ]( q, X8 x
! R' b8 P- r& h* y1CAN网络CAN网络可以理解为多台CAN设备连接在同一条CAN总线上组合成的网络，其中的CAN设备我们称之为节点。CAN网络拓扑结构如下图：
/ U) ?# [: |4 T; X9 V8 {

t5l3k155u0d64063124925.jpg

5 Q; m- W( ^* \, u7 N1 }
如上图，一个CAN节点主要包含三类：MCU应用程序、CAN控制器、CAN收发器。
1. MCU应用程序MCU应用程序我将其分为三块：业务逻辑代码、协议层代码、底层驱动代码。
: ?( Q1 R9 z* c* aA.业务逻辑代码：是根据项目需求而定，也很好理解。比如我读取一个传感器数据，并对其做出相应逻辑处理。
B.协议层代码：比如后续要讲述的CANOpen。
! l( y4 _. v7 ]' f  B# V/ \C.底层驱动代码：配置CAN总线相应参数、控制收发的代码。
/ ~3 c3 _8 p9 `) H8 [, M% l, V) P2.CAN控制器CAN控制器内部结构还是挺复杂的，一般现在CAN控制器都是与处理器集成在一起。
其实对于编程的人来说，无非也就是包含一些控制、状态、配置等寄存器。
5 ~# u# M5 o9 C$ Z! |7 v比如我们看到有些STM32芯片带有CAN，也就是说CAN控制器已经集成在STM32芯片中了，我们只需要编程操作其中的寄存器即可。
3.CAN收发器CAN收发器：将CAN收发引脚（CAN_TX和CAN_RX）的TTL信号转换成CAN总线的电平信号。
PS：你可以把CAN总线通信认为是UART通过485进行通信：CAN控制器就如UART的控制器，而CAN收发器就如485转换芯片。
  [* D  n3 o( c# D& g2ISO标准化的CAN协议写这一章节的主要目的就是想让大家了解CAN总线位于OSI所在层次。
( _  U# o. h1 d3 N
  b7 L. L) K$ M0 ?& ~/ o* g2 t1.ISO/OSI基本参照模型
- E; P4 e, r- Z  Z

riufakmxjuq64063125025.jpg

【注】
3 x8 M6 ?/ @$ V9 a" D" iISO：International Standardization Organization国际标准化组织；
OSI：Open Systems Interconnection开放式系统间互联；
$ M" Y5 j) G* I
: [. D% j. B3 {0 F- z2.CAN在OSI模型中的定义

ngfxexjhw5c64063125125.jpg

9 P: z1 o/ U% @; }! J& Y【注】
9 z- U# r# ]3 c# XLLC：Logical Link Control逻辑链路控制；
, N' g3 g, L' OMAC：Medium Access Control媒介访问控制；
8 h& O& C+ Y  _% _* ]( r
3 s; s% z1 c/ y1 H2 X8 f从上图可以知道CAN总线底层硬件的内容（CAN控制器、收发器）主要位于OSI的第1层和第2层。
: `2 f7 L" G! X, N
8 m, ~5 K7 |% `0 u8 H4 w7 U& F3概述CAN总线协议CAN总线协议：就是为了保证通信（收发）数据在CAN总线上能稳定传输而制订的一套协议。

/ S/ Q/ G" N% f, c5 tCAN总线协议的内容很多，为方便初学者理解，本文先大概描述一下CAN总线协议，后续文章详细讲述CAN总线协议的内容。
1.总线信号CAN总线为「两线」「差分」信号，用隐形代表逻辑1，显性代表逻辑0。如下图：

ys0rshh0b5g64063125225.jpg

( C. @" J+ J$ f- D- z3 a. k
2.优先级
假如某一时刻，一个设备（节点）往总线发0，一个设备往总线发1。那么总线会呈现什么现象？

. ]; `- K! A* K5 r% J! O3 U答案：最后总线呈现为显性，也就是0。

9 U* Y7 Y/ Z" M: v- P5 J, j$ z3.位时序
位时序逻辑将监视串行总线，执行采样并调整采样点，在调整采样点时，需要在起始位边沿进行同步并后续的边沿进行再同步。
) B9 y9 v8 L8 i; s2 F! G. Q
简单的说就是对一个bit位分几段进行采样，目的就是提高数据传输稳定性。在STM32中底层驱动代码就需要进行位时序编程，在STM32参考手册中也会发现如下位时序图：
6 t3 }' f7 C) K% \

kvqzlc0x1ie64063125325.jpg

3 H1 [  E8 s* m$ L
2 |4 l; O$ e  k: v8 g4.帧的种类和格式帧的种类有多种：数据帧：用于发送单元向接收单元传送数据的帧。遥控帧：用于接收单元向具有相同 ID 的发送单元请求数据的帧。错误帧：用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧。过载帧：用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧。帧间隔：用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧。
数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有11个位的标识符ID，扩展格式有29个位的ID。
3 n0 Q3 v' [! r* j9 F. @# S5.位填充位填充是为防止突发错误而设定的功能。当同样的电平持续 5 位时则添加一个位的反型数据。如下图：

fm0fza2r1tn64063125425.jpg

# i& b8 t+ s; D8 {* b* j; _9 F6.错误的种类

pslvn0w1pi264063125525.jpg

' r& P9 s+ h$ c. C4 s/ I7 j
2 D. b( R4 V% y* O; e3 r7 XCAN总线协议内容很多，初学者可以先了解这些，希望对你有所帮助。
7 t7 D% ]$ V' z; ^5 N------------ END ------------

x2i2nskbe0f64063125625.gif

●专栏《嵌入式工具》●专栏《嵌入式开发》●专栏《Keil教程》●嵌入式专栏精选教程
9 \  N9 k# k1 `) d; n关注公众号回复“加群”按规则加入技术交流群，回复“1024”查看更多内容。
/ F& {, J# {9 P2 q
( f. S/ }2 P) [; v$ \

bbcd21vywpv64063125726.png

3 X4 s: o' U$ u4 U0 @1 C点击“阅读原文”查看更多分享。