CAN通讯理论
目录
1、物理层
1.1、总线特征
- 两根CAN线（CAN_L、CAN_H）、差分信号抗干扰；
- 异步无需时钟、通讯速率由设备各种约定
- 半双工、可挂在多设备（同时发送时通过仲裁判断先后顺序）
- 11/29bit报文ID（决定优先级、区分消息）
- 可配置1~8字节有效载荷
- 可实现广播式和请求式两种传输方式
- 应答、CRC校验、位填充/同步、错误处理等特性
- 高速CAN(125k~1Mbps)，<40m
- 低速CAN(10k~125kbps)，<1km
1.2、硬件电路
1.2.1 高速CAN
- 使用闭环网络，CAN_L和CAN_H两端，添加120Ω终端电阻
120Ω电阻作用：
1、防止回波反射；（若不加电阻，信号波形会在线路终端反射，干扰原始信号）
2、将两根CAN线收紧至电压一致状态（代表默认1状态）；（电阻阻值越小，电压收紧速度越快，为0Ω就是迅速收紧）这里120Ω大小的小电阻，总线的收紧速度会很快
当设备发送1时，收发器无需对总线进行任何操作，因为总线默认状态就是1；
当设备发送0时，收发器无需将总线两端电压拉开，此时总线状态变为0；
1.2.2 低速CAN
- 使用开环网络，CAN_L和CAN_H其中一端，添加2.2kΩ终端电阻（如图左边电阻）
2.2kΩ电阻作用：
1、防止回波反射；（若不加电阻，信号波形会在线路终端反射，干扰原始信号）
1.2.3 高速CAN收发器（TJA1050）
接受过程：
1、右边三角形 “接收器” 时刻检测电压差，若总线存在电压差就输出1，反之亦反；
2、左边有两个场效应管组成的输出反向驱动器。当右侧为1时 “上管断开，下管导通”(RX端为0)、当右侧为0时“上管导通、下管断开”（RX端为1）；
这就完成了 逻辑电平0<-----存在电压差 逻辑电平1 <--------没有电压差 的转化；
发送过程：
1、当Tx=1时，后方驱动器“Driver”就会让右边的两个场效应管都断开，相当于不对总线进行任何操作，总线此时为 “默认状态（隐型电平1）”。且CAN_L和CAN_H之间的0.5Vcc的地，会将两根线都拉到0.5Vcc的中间电平，此时它们的默认对地电压都是0.5Vcc（2.5V左右）；
2、当Tx=0时，后方驱动器“Driver”就会让右边的两个场效应管都导通，上面Vcc将CAN_H拉高，下面GND将CAN_L拉低，形成显性电平“0”；
电路其余部分解析：
左上角的Vcc：若TXD悬空，则此电流源会将TX的电平上拉（默认输入1，防止输入电平不确定造成误操作）。此时后方的显性电平超时器（若TXD出现异常始终输入显性电平0，拽着CAN总线不放，此时CAN总线会一致呈现显性电平，而导致其他设备无法操作总线。所以这里输出显性电平到了一定时间收发器就会释放CAN总线，防止总线瘫痪）
2、数据链路层
2.1、帧格式
2.1.1、数据帧
标准帧格式：
起始段：sop：显性电平0，1bit；（发送数据帧之前，总线必须处于空闲状态）
仲裁段：
ID: 报文ID，可表示数据段功能、区分优先级（ID越小优先级越高）；
RTR：远程请求标志位，1为遥控帧（读取），0为数据帧（写入）；
控制段：
IDE: ID扩展标志位，0标准格式，1扩展格式，1bit；
r0： 保留位，必须为0，1bit；
DLC: 表数据段长度，4bit；
数据段：
Data：数据帧，0~64bit；
CRC段：
CRC：使用CRC校验算法得到的值，15bit；
CRC界定符：必须为1，1bit；（为ACK释放总线）
ACK段：
ACK槽：发送方发送完一帧数据后会释放总线回归默认电平1，若接收方收到数据此位被拉低0，之后发送方会读取总线状态，看是否有接收方；
ACK界定符：必须为1，1bit；（接收方必须及时释放总线，交出控制权）
帧结束：
EOP：7个1，7bit；
扩展格式：（ID不够用才用这个）
SRR：没用，但必须给隐形电平1，协议升级时留下的无意义位；
2.1.2、遥控帧
用途：接受设备“主动请求数据”，它无数据段
为什么会存在“遥控帧”？
一般发送方会定一个周期，定时广播自己的数据。但发送方如果没有即时发送数据，或此数据使用的频率太低了，广播太频繁且大家都用不到，此时就会浪费总线资源。广播太慢了，偶尔有用，又及时拿不到。此时发送方就可以规定就不要主动广播数据了，而是存在设备需要的话，才发送数据。首先接收方发送一个遥控帧，遥控帧包含报文ID（遥控帧也是广播出来的），若其中某个设备有这个ID数据，它就会再通过数据帧广播出来，这样接受方就会及时获取这个数据。（这种方式适合使用频率低，但偶尔需要集中使用几次的数据）
2.1.3、错误帧
总线上所有设备都会监督总线数据，一旦发现“位/填充/CRC校验/格式/应答错误”，这些设备就会发出错误帧来破坏数据，同时终止当前发送的设备；
一个设备检测到自己错误，就会发6个显性位表当前自己主动错误。若主动错误太多，就会将自己置为被动错误状态，即全是隐性电平1，不影响总线上其它设备操作。其中0~6的重叠部分，是其他设备检测出存在错误时，发送的错误帧。
2.1.4、过载帧
接收方收到大量数据而无法处理时，发出过载帧，延缓发送方的数据发送，以平衡总线负载，避免数据丢失。
过载标志破坏掉发送方的数据，后发送方会重试再次发送数据，这就避免了数据丢失。
2.1.5、帧间隔
- 将数据帧和远程帧与前面的帧分开
主动错误状态的帧间隔是3bit；
被动错误状态的帧间隔是3bit+8bit延时传输(会将设备至于仲裁不利的处境)
2.2、位填充
规则：
发送方：每发送5个相同电平，即自动追加一个相反电平的填充位。
接收方：检测到填充位时，会自动移除填充位，回复原始数据。
作用：
- 增加波形定时信息（一下子发送一长串相同电平，对接受方的准确接受判断是有不利影响的），防止波形长时间无变化，导致接收方不能精确掌握采样时机；
- 将正常数据流与“错误帧”及“过载帧”区分开，标志“错误帧”和“过载帧”的特异性（其它帧都不可能同时出现5个相同bit数据）；
- 保持CAN总线在发送正常数据流时的活跃状态，防止被误认为总线空闲；
2.3、波形实例
2.4、位同步
背景：
1、CAN无时钟线，总线上所有设备通过约定波特率方式来确认每个数据位时长（发送方每隔固定时间输出一个数据位，发送方每隔一段时间在总线上采样）；
2、理想状态时，接收方能依次采样到发送方每个数据位，且采样点位于数据中心附近；
但实际上会存在如下情况：
1、接收方以约定位时长采样，但采样点没有对齐数据中心；（如下每次都在数据跳变沿采样）（可通过“硬同步”解决）
2、接收方刚开始采样准确，但时钟存在误差，随着误差积累，采样点逐渐偏离；
（可通过“再同步”解决）
2.4.1、位时序
对一个数据位“1bit”进行更为细致的划分，其中构成1bit的最小时间单位为（Tq）。每个位被划分位几段，分别是“同步段（SS）”、“传播时间段（PTS）”、“相位缓冲段1（PBS1）”、“相位缓冲段2（PBS2）”。
2.4.2、硬同步
每个CAN设备都会存在一个秒表。每个秒表转一圈的时间是被我们主动给设定死了的。发送方会率先发送报文，而其他接收方在收到SOF下降沿时，将自己的秒表同步到SS段，与发送方的位时序周期保持同步。（硬同步只在CAN数据帧的第一个下降沿有效）
虽然上面秒表旋转的起始时间是同步了。但它们的转动速率可能会不同，此时随着误差的累计，就可能会出现采样点偏移的情况发生。这时候就需要进行“再同步”了。
2.4.3、再同步
在接收方秒表速率时钟快/慢了的前提下，再同步就是接受方将秒表调快多少和调慢多少。其中SWJ也就是再同步补偿宽度，就是秒表能够调整的最大阈值。（设置后会根据误差值自动调整、但若SWJ值<误差值则此时最大也补偿不了）
注：SWJ也不能过大。若太过大了，则波形中的噪声就会对位时序造成过大影响，这会导致接收方认为这是更多位的数据。这样就能防止因干扰而导致的补偿过度。
2.4.4 波特率计算
2.5 仲裁
CAN总线 只有一对差分信号，同一时间只能有一个设备操作总线来发送数据。若多设备同时发送数据，CAN就会通过仲裁机制来分配资源。
2.5.1 总裁规则
资源分配会有以下规则：
1、任何设备检测到连续的11个隐性电平、就认为总线空闲。（此时位填充就起作用了，位填充防止了设备在发送信号时出现连续的11个隐性电平）
2、设备认为总线空闲时，才能发送“数据/遥控帧”。
非破坏性仲裁：
1、多个设备发送需求同时到来时，CAN总线会根据ID号进行非破坏性仲裁，ID号小的优先级高；
这个方式仲裁需要回读机制的参与。所谓回读，就是每个CAN设备发出一个数据位后，都会回读总线上当前的电平状态，以确认自己发出的电平是否被发送出去，发出0读回一定为0，发送1则不一定为1（此时就释放总线）。
非破坏性仲裁实际过程：
2.5.2 同ID时不同帧优先级
1、同ID时，数据帧>遥控帧（优先级）
2、标准格式>扩展格式
2.6 错误处理
当某个设备发送出错时，通知所有其他接受方此帧错误，让其它接受设备丢掉此帧。
注：错误情况其实很少发生。
下面是常用的错误帧情况：
只要存在以上任何一种错误情况，检测到错误的任何CAN单元就会发出错误帧，以破坏当前发送的帧数据。
2.6.1 错误状态
TEC：发送出错次数；
REC：接受出错次数；
主动错误状态会破坏总线，所以主动出错一定次数以后会让出错设备进入被动错误状态。被动错误状态时，若其进行了很多正常的数据传输，错误计数就会减少，当错误状态（TEC且REC）减少到<=127时，设备会重新回到主动错误状态。当设备在被动错误状态仍不断报告错误时，就说明设备出问题了，故在TEC>255时（只有TEC>255才会让总线转为关闭态，因为发送数据出错会占用总线资源），设备会被转到总线关闭态（考虑到设备对系统可能还有左右，所以当总线上检测到128次连续11个隐形位时，就会重新给他机会通讯）。
其中错误计数器计数规则如下,了解即可：
2.6.2 真实波形示例
原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_48038462/article/details/144252624
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