CAN通信基础知识

在某些场景下，由于串口、I²C等通信方式的速率、数据量的限制，或者布线限制等，用CAN通信在上述场景下进行数据交流。优点为传输距离较远（Max10km）、数据传输速率高（Max1Mb/s）和具备优秀的仲裁机制。

1.硬件

a.硬件接线

图1 CAN通信各设备接线图

图1中所有的设备挂载在CAN_H、CAN_L两条通信线上，左侧125kbps使用的是低速ISO11519-2标准，此标准下不需要两根线形成闭环，且每根线上接一个2.2kΩ的电阻；右侧500kbps使用的是高速ISO11898标准，此标准下，线要形成回路，且回路要接上两个120Ω（终端）电阻做导线的阻抗匹配，为了模拟无限远的传输线及减少回波反射。

每个节点包含三部分CAN通信的外设，分别为微控制器、CAN控制器和CAN收发器，经典的组合为51单片机+SJA1000+PCA82C250（5V供电），特别的像STM32已经集成了CAN控制器，所以只需要再增加一个CAN收发器即可，经典的组合为STM32+SN65HVD230（3.3V供电）。

图2 CAN控制器结构框图

发送报文时，由CAN控制器串转并；接收报文时，由CAN控制器并转串，当其接收到来自CAN收发器的数据后，会由接口管理逻辑向主控制器提起中断。

b.信号电平

图3 电平信号图

2.软件

a.帧结构

图4 帧作用图

CAN通信的一次通信过程包含5个帧，分别为数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧和帧间隔。其中 由硬件完成，其他两帧需要配置。

起始帧：单个显性位（低电平）组成；

结束帧：7个连续隐性位（高电平）组成，结束帧EOF之后再等三个位的空闲（隐性位或高电平），总线才空闲或者才能开启下一帧；

遥控帧：发送给目标节点，以向目标节点请求数据（RTR为高电平，对应帧为遥控帧；反之，对应帧为数据帧），没有数据段。

图5 遥控帧组成图

图6 数据帧组成图

图7 帧各段作用图

仲裁段：此段存储的信息为CAN通信的ID，每一个挂在总线上的设备都有一个CAN控制器，在此控制器里可以设置过滤器，便于筛选出用户所需的ID，从而与此ID对应的设备通信。当多个设备同时发送数据时，需要进行仲裁（仲裁在发送的时候用，而过滤在接收的时候用），ID可以被认作地址，但并不一定是真正的地址，ID的两个作用：仲裁+过滤；

图8 仲裁段两种格式对比

左为标准ID，右为扩展ID。
RTR位用于表示是数据帧还是远程帧，IDE用于表示是标准帧还是扩展帧。

控制段：此段用于表示CAN通信的数据帧由多少字节组成，DLC有4位，DLC3~DLC0从0000到1000分别表示数据段有0-8个字节；

数据段：此段由CAN控制器对应的寄存器控制，将需要发送的数据填入发送缓冲区即可；

CRC段：接收方将接收到的15位CRC发送方的CRC对比，15位由此段前15位共同组成；

图9 CRC检验图

ACK段：发送方将ACK段置隐性位（高电平），接收方完成CRC校验后会将此段置显性位（低电平），当发送方回读到显性位时，证明接收方接受成功；

图10 ACK答复图

b.仲裁

关键：线与和回读。

图11-1 总线仲裁事例图

图11-2 总线仲裁事例图

（1）总线处于空闲状态时，最先开始发送数据的节点获得总线控制权，且发送过程不会被其他节点抢断；

（2）多个节点同时开始发送数据时，总线按如图1-11-1所示的过程进行仲裁；

（3）总线从忙到空闲状态时，ID优先级高（ID小）的节点会先获得总线控制权，即使其在ID优先级低的节点之后申请，如图1-11-2所示；

（4）具有相同ID的数据帧和遥控帧在总线上竞争时，仲裁段最后一位（RTR）位为显性的具有优先权，可以继续发送；

（5）标准格式的数据帧和与其具有相同ID的扩展格式的数据帧在总线上竞争时，标准格式的RTR为显性位的具有优先权，可以继续发送。

c.过滤器

STM32的每一组CAN都有14个过滤器，因此当接收到的ID满足其中的任何一个时，便可以被接收或者可以说接收方能接收至少14种不同的报文。

过滤器有标识符识别模式和屏蔽模式。其中前者要求只有报文中的ID要与过滤器设置的ID完全一致，此报文才能通过。后者的过滤器不仅有过滤器，还有屏蔽器，当屏蔽器某一位为1时，报文中的ID对应的位必须与过滤器设置的ID对应的位一致，报文中的ID的那一位才能通过；当屏蔽器为0时，报文中的ID可与过滤器设置的ID不一致，此时报文中的ID那一位也能通过。

图12 两种过滤器类型图

左图为标识符（ID）识别模式，右图为屏蔽模式。
每个过滤器又有2个32的寄存器，因此可以组成四类不同的过滤模式：

图13 四种过滤器模式图 表1 四种过滤器模式特点表

图14 Keil中滤波器配置例子

图中采用掩码模式配置了一个32位的过滤器，允许通过的ID通过两个16位过滤器设置，掩码也通过两个16位过滤器设置，图中掩码为111…111，表示32位ID必须与过滤器的32位ID全部相同。

d.报文

总线上传输的信息叫报文，是将数据按规定的标准格式“打包”后形成的“包裹”。

图15 报文定义图

e.波特率

1bit可由同步段(SS)、传播时间段(PTS)、相位缓冲段1(PBS1)、相位缓冲段2(PBS2)组成，而1段的时间又可以由若干TQ(最小时间单位)组成。

图16 1bit构成图

由于STM32把传播时间段和同步段合并了，所以其1bit由同步段(SYNC_SEG)、时间段1(BS1)和时间段2(BS2)组成，波特率的计算如图17所示：

图17 波特率计算图

通常控制(SS+BS1)/(SS+BS1+BS2)在75%~85%之间，其中SS为SYNC_SEQ的值。上述三段在CubeMX里的对应关系在“STM32G431xxxx系列CAN通信（二）”中列出。

图18 波特率事例图

图19 42MHz时钟下CAN通信常用波特率配置