CAN 通信协议学习笔记

Sat, 24 May 2025 10:00:00 +0800

CAN简介

CAN总线特征：

两根通信线(CAN_H、CAN_L)，无需共地
差分信号，抗干扰
高速CAN:125k-1mbps，<40m
低速CAN:10k~125kbps, <1km
异步通信(无时钟线)，通信速率由设备各自约定
半双工，可挂载多设备，多设备同时发送数据时通过仲裁判断先后顺序
11位/29位报文ID，用于区分消息功能，同时决定优先级
可配置1~8字节的有效载荷
可实现广播式和请求式两种传输方式
应答、CRC校验、位填充、位同步、错误处理等特性

主流通信协议

名称	引脚	双工	时钟	电平	设备	应用场景
UART	TX、RX	全双工	异步	单端	点对点	两个设备互相通信
I2C	SCL、SDA	半双工	同步	单端	多设备	一个主控外挂多个模块
SPI	SCK、MOSI、MISO、SS	全双工	同步	单端	多设备	一个主控外挂多个模块（高速）
CAN	CAN_H、CAN_L	半双工	异步	差分	多设备	多个主控互相通信

CAN类似UART和IIC的结合

第一章

CAN硬件电路

主控会内置CAN控制器，借助CAN收发器挂载在CAN总线网络

高速CAN采用闭环网络，CAN的差分信号默认状态下(1，CANH=CANL)，由电阻收紧，而电阻因为阻抗不大，因此电压跃变快，但是功耗高

低速CAN使用开环网络，两端加开路的电阻，降低反射

电平标准

差分信号，即电压差传输数据

高速CAN：

隐性电平是不碰两根线，电阻处为收紧状态（默认状态1，隐性）

显性电平是拉开两根线，电阻处为非收紧状态（显性可以控制总线，0强于1，所以能叫显性）

电压差为0V时表示逻辑1（隐性电平）
电压差为2V时表示逻辑0（显性电平）

CAN收发器-TJA1050(高速CAN)

CANH和CANL有电压差，RECEIVER输出1，下管导通，RXD为0(有电压差，逻辑0，显性)

CANH和CANL无电压差，RECEIVER输出0，上管导通，RXD为1(无电压差，逻辑1，隐性)

TXD为0时，2,3的场效应管导通，CANH和CANL有电压差（逻辑0，显性）

而TXD悬空时，电流源默认让TXD为1

CAN物理层特性

第二章

CAN总线帧格式

主要看数据帧

帧类型	用途
数据帧	发送设备主动发送数据（广播式）
遥控帧	接收设备主动请求数据（请求式）
错误帧	某个设备检测出错误时向其他设备通知错误
过载帧	接收设备通知其尚未做好接收准备
帧间隔	用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开

数据帧

SOF（Start of Frame）：帧起始，表示后面一段波形为传输的数据位
ID（Identify）：标识符，区分功能，同时决定优先级
RTR（Remote Transmission Request ）：远程请求位，区分数据帧和遥控帧
IDE（Identifier Extension）：扩展标志位，区分标准格式和扩展格式
SRR（Substitute Remote Request）：替代RTR，协议升级时留下的无意义位
r0/r1（Reserve）：保留位，为后续协议升级留下空间
DLC（Data Length Code）：数据长度，指示数据段有几个字节
Data：数据段的1~8个字节有效数据
CRC（Cyclic Redundancy Check）：循环冗余校验，校验数据是否正确
ACK（Acknowledgement）：应答位，判断数据有没有被接收方接收
CRC/ACK界定符：为应答位前后发送方和接收方释放总线留下时间
EOF（End of Frame ）：帧结束，表示数据位已经传输完毕

标准格式

开始为空闲状态为隐性
SOF为帧起始，表明开始一帧数据
起始帧后发送11位标识符报文，区分功能，同时决定优先级
RTR为0：数据帧。为1：遥控帧
IDE为0：标准格式。为1：扩展格式
r0保留位，暂时无功能
DLC为数据长度，0001发一个字节，1000发8字节
Data根据DLC给几个字节能给范围0-64字节
CRC为校验
ACK应答位，发送方释放总线，如果接收方收到了，就抢占总线，发送方读取总线状态知道被接受
CRC/ACK界定符是留出时间交出控制权
EOF作为结束

遥控帧

适合使用频率低的数据

遥控帧无数据段，RTR为隐性电平1，其他部分与数据帧相同

如果有数据需要，首先接收方发出一个遥控帧，遥控帧包含报文ID，如果发送方有这个报文ID，就将数据发送出来，接收方可以及时获取数据

错误帧

总线所有设备监督总线数据，一旦发现错误，这些设备发出错误帧来破坏数据，同时终止当前的发送设备

过载帧

接收方收到大量数据无法处理，发送过载帧，延缓发送方的数据发送，以平衡总线负载，避免数据丢失

帧间隔

将数据帧和遥控帧与前面的帧分离开

位填充

规则：发送方每发送5个相同电平，自动追加相反电平的填充位，接收方检测到填充位，自动移除填充位。

即将发送： 100000110 10000011110 0111111111110 实际发送： 1000001110 1000001111100 011111011111010 实际接收： 1000001110 1000001111100 011111011111010 移除填充后： 100000110 10000011110 0111111111110

作用：

增加定时信息，有利于接收方同步，防止波形长时间无变化（防止连续很多相同电平，接收方可能数错）
将正常数据流与“错误帧”和“过载帧”区分（防止连续6个相同电平）
保持CAN发送数据的活跃状态，防止认为总线空闲（防止连续11个隐性电平1）

波形实例

标准数据帧

11位报文ID：0x555，

RTR = 0 数据帧，IDE = 0，标准格式

DLC = 0001(注意其中第一个1为位填充) = 1，一个字节数据

Data = 10101010 = 0xAA

扩展数据帧

扩展数据帧，报文ID为0x0789ABCD，数据长度1字节，数据内容为0x56

第三章

接收方数据采样

CAN总线无时钟线，总线设备通过一个约定的波特率方式确定每个数据位的时长
发送方以约定的位时长每个固定时间输出一个数据位
接收方以约定的位时长每个固定时间采样总线电平，输入一个数据位
理想采样是数据位中心附近

会遇到的问题

接收方采样点没有对齐数据位中心附近

解决：第一个跳变沿对齐（硬同步）

接收方刚开始采样正确，但是时钟有误差，随着误差积累，采样点逐渐偏离

解决：采样点动态调节，弥补时钟误差（再同步）

位时序

因为要调节采样点，所以会对一个数据位时长进行细分

同步段（SS）
传播时间段（PTS）
相位缓冲段1（PBS1）
相位缓冲段2（PBS2）

每个段又由若干个最小时间单位（Tq）构成

SS = 1Tq、PTS = 1~~8Tq、PBS1 = 1~~8Tq、PBS2 = 2~8Tq

如果跳边沿在SS段，说明当前设备与波形达成同步，否则不同步，则需要调节时序使跳变沿正好在同步段

硬同步

使第一次采样对齐

每个设备有一个位时序计时周期，当某设备发送报文，其他设备接收到SOF下降沿，会将位时序计时周期拨到SS段，与发送方保持同步（实际就是让第一个边沿段调整为SS段，类似于时区，绝对时刻不一样，但都规定为北京时间）

而此时接受段直接确定数据位采样点（PBS1和PBS2段中间）

硬同步解决没有对齐数据位中心附近，只要时钟没误差，就不会有问题

再同步

解决时钟误差，若数据位边沿逐渐偏离SS段，此时接收方根据再同步补偿宽度值（sjw，是最大的补偿，如果误差1tq，sjw2，则补偿1tq；若误差3tq，则补偿2tq）加长PBS1段，或缩短PBS2段

再同步发生在，第一个下降沿之后每个数据位跳变边沿

波特率计算

波特率 = 1/一个数据位的时长 = 1/（Tss+Tpts+Tpbs1+Tpbs2）

SS = 1Tq，PTS = 3Tq，PBS1 = 3Tq，PBS2 = 3Tq，Tq = 0.5us

则波特率 = 1 / (0.5us + 1.5us + 1.5us + 1.5us) = 200kbps

第四章

多设备同时发送遇到的问题

CAN总线只有一差分信号线，同时只能有一个设备操作总线

若多设备同时又发送需求，该如何分配总线资源？

资源分配规则1-先占先得

若当前有设备操作总线发送数据帧/遥控帧，则其他设备不可发（可发错误帧/过载帧）
任何设备检测到11连续隐性电平，认为总线空闲，才能发送
若有设备有发送需求要等待总线空闲

而位填充的适用范围是从帧起始（SOF）到CRC序列结束，不包括CRC界定符、ACK域和EOF段

此时有ACK界定符一个隐性，EOF7个隐性，只需再等三个隐性即可继续发送。

但有可能不止一个信号在等待，多个设备同时到来（总线仲裁）

资源分配规则2-非破坏性仲裁

多设备发送需求同时到来，对仲裁段（ID+RTR）进行非破坏性仲裁，ID号小（优先级高）的取得控制权，ID号大（优先级低）仲裁失利，继续等待空闲

实现非破坏性仲裁两个需要的特性：

线与特性：0 & X & X = 0，1 & 1 & 1 = 1
回读机制：设备发出一个数据位后，读回总线电平状态，确认电平被发送。发送0读回0，发送1读回不一定是1

仲裁：发出数据1，读回（回读机制）数据0（被其他设备线与了）

非破坏性仲裁过程

数据位从前到后依次比较，出现差异且数据位为1的设备仲裁失利

单元1在仲裁段中某一个数据位发送1，回读出0，判断有其他设备在发生，但自己优先级低，放弃发送。但是总线电平依旧是单元2的，并没有被破坏

数据帧和遥控帧优先级

数据帧和遥控帧ID号一样时，数据帧的优先级高于遥控帧（RTR决断，因为RTR = 0 为数据帧）

标准格式和拓展格式的优先级

标准格式11位ID号和扩展格式29位ID号的高11位一样时，标准格式的优先级高于扩展格式（SRR必须始终为1，以保证此要求）

第五章

错误类型

位错误、填充错误、CRC错误、格式错误、应答错误

错误状态

主动错误状态参与通信并检测到错误时发送主动错误帧（6个0），可以破坏别的设备的数据
而频繁发送主动错误，说明这个设备不太可靠，就转到被动错误，收回他破坏其他设备通信的权利
若还是频繁被动错误，则进入总线关闭
如何判断：每个设备内部管理一个TEC和REC，根据TEC和REC确定自己状态（信誉分）

错误计数器

信誉分积分：

STM32 CAN外设

STM32内置bxCAN支持CAN2.0A和2.0B，可自动发报文，程序只需处理报文数据
波特率最高1mbps
3个可配置优先级的发送邮箱
2个3级深度接收FIFO
时间触发通信、自动离线恢复、自动唤醒、禁止自动重传、接收FIFO溢出处理方式可配置、发送优先级可配置、双CAN模式
STM32F103C8T6 CAN资源：CAN1

第一节

CAN网络拓扑

STM32F103C8T6 CAN引脚默认复用

重定义

CAN收发器电路

注意TX，RX接法与串口区分

第二节

CAN框图

对于STM32F103C8T6，没有CAN2，只有CAN1。

通过读写以下寄存器对CAN电路进行配置：

3个主发送邮箱，每个可以存入一个CAN报文，若想发送一个报文，可以将报文放入空置邮箱，在设置寄存器请求发送

接收部分包括过滤器和2个FIFO，过滤器设置过滤规则，告诉硬件想要的ID的报文，如果硬件收到相应ID的报文，将报文放入FIFO；如果都没用，就抛弃，减轻软件负担。

FIFO：先入先出，类似于队列，等待CPU读取

CAN基本结构

发送过程

选择空置邮箱-写入报文-配置寄存器请求发送

RQCP：请求完成

TXOK：发送成功

TME = 1：发送邮箱空

发送流程：

默认TME=1处于空置状态时，TXRQ（请求发送控制位）=1（产生发送请求）
进入挂号状态TME=0，排队等到该邮箱为最高优先级发送报文
进入预定状态，若优先级被比下去，则退回挂号状态
处于预定的报文，探测到CAN总线=IDLE空闲，管理员将报文发送到CAN总线
发送成功回到空置状态，发送失败时若启用NART=0（禁止自动重发）回到空置，若禁止，NART=1则回到预定等待发送（比如总线仲裁失败）

接收过程

接收到一个报文→匹配过滤器后进入FIFO 0或FIFO 1→CPU读取

FMP：报文数目

FOVR：FIFO溢出

接收到一个报文时，FMP=1,FOVR=0，依次接收后FMP递增
有效报文存满FULL置1，在收到有效报文进入溢出FOVR=1
若读取一个报文，RFOM=1，释放一次邮箱

注意：溢出状态释放一次是挂号2

发送和接收配置位

NART：NART=1关闭自动重传，CAN报文只发送一次，不管发送结果如何；置0，自动重传，直到发送成功
TXFP：TXFP=1，优先级按发送请求的顺序；置0，优先级按报文ID，标志符小的先发送（标志符相等，邮箱号小的先发送）
RFLM：置1，接收FIFO锁定，FIFO溢出，新报文丢弃；置0，FOFO溢出后最后收到报文被覆盖

标识符过滤器

x可以表示0-13，每个过滤器都有一套电路

每个过滤器由2个32位寄存器组成，R1[31:0] R2[31:0]
位宽设置，FSCx=0，16位，FSCx=1,32位
- 若只有标准ID，则16位足矣，若有标准，有拓展需要用到32位
- 16位的话两个32位寄存器能写4个ID号，32位写两个
模式设置，
- FBMx=0，屏蔽模式
  
  允许一类，使用了类似掩码功能，屏蔽的是不需要的ID号的位，如只需要用前三位，可以ID段前三位写001xxxxxxxx，屏蔽写11100000000,过滤ID前三位为001
- FBMx=1，列表模式（允许个别）
关联到队列，FFAx=0，关联FIFO0，否则关联FIFO1
激活FACTx:FACTx=0，禁用，否则启用

列表模式
- 想要的ID号写入R1或R2寄存器中
- 位宽32位
  - STID高11位为标准ID
  - 前29位是拓展ID
  - 过滤拓展ID，IDE=1，过滤标准ID，IDE=0
  - RTR=1，过滤遥控帧，RTR=0,过滤数据帧
- 位宽16位
  - 只使用标准ID，4个16位
屏蔽模式
- ID号过多时使用
- 采用位与屏蔽，类似掩码功能
- ID段有效位写实际，对应屏蔽位写1

过滤器配置示例

第三节

测试模式

静默模式：用于分析CAN总线的活动，不会对总线造成影响
环回模式：用于自测试，同时发送的报文可以在CAN_TX引脚上检测到
环回静默模式：用于热自测试，自测的同时不会影响CAN总线

工作模式

初始化模式：用于配置CAN时禁止收发
正常模式
睡眠模式：低功耗，CAN外设时钟停止，可以软件唤醒或硬件自动唤醒
AWUM：置1，自动唤醒，一旦检测到CAN总线活动，硬件就自动清零SLEEP，唤醒CAN外设；置0，手动唤醒，软件清零SLEEP，唤醒CAN外设

位时间特性

STM32中，PDS和PBS1合在一起

SS = 1Tq BS1 = 1~~16Tq BS2 = 1~~8Tq
SJW=1~4Tq

波特率=APB1时钟频率/分频系数/1位Tq数

=36Mhz/(BRP[9:0]+1)/(1+(TS1[3:0]+1)+(TS2[2:0]+1))

中断

CAN外设占用4个专用中断向量

发送中断：发送邮箱空时产生
FIFO 0中断：收到一个报文/FIFO 0满/FIFO 0溢出时产生
FIFO 1中断：收到一个报文/FIFO 1满/FIFO 1溢出时产生
状态改变错误中断：出错/唤醒/进入睡眠时产生

中断发生条件：

CAN on Zesean 的博客