通信教程 | CAN总线协议基础原理

Posted 2022-02-20 strongerHuang

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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。

CAN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。

1CAN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：

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。

A.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。

C.底层驱动代码：配置CAN总线相应参数、控制收发的代码。

2.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。

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。

2ISO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。

1.ISO/OSI基本参照模型

【注】

ISO：International Standardization Organization国际标准化组织；

OSI：Open Systems Interconnection开放式系统间互联；

2.CAN在OSI模型中的定义

【注】

LLC：Logical Link Control逻辑链路控制；

MAC：Medium Access Control媒介访问控制；

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。

3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。

CAN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：

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？

答案：最后总线呈现为显性，也就是0。

3.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。

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：

4.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。

5.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：

6.错误的种类

CAN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。

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