CAN總線嘔心瀝血教程

1、哥很郁悶，為了CAN研究了不少，看了不少資料，現(xiàn)在我給大家總結(jié)一下先看看工作原理當(dāng)CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)（站）發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它以報(bào)文的形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，無(wú)論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對(duì)其接收。每組報(bào)文開(kāi)頭的11位字符為標(biāo)識(shí)符，定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，這種報(bào)文格式成為面向內(nèi)容的編制方案。同一系統(tǒng)中標(biāo)識(shí)符是唯一的，不可能有兩個(gè)站發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的報(bào)文，當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線讀取時(shí)，這種配置十分重要。大體的工作原理我們搞清了，但是根本的協(xié)議我們還要花一番功夫。下面介紹一個(gè)重要的名詞，“顯性“和”隱性“ 在我看到的很多文章里，有很多顯性和隱性的地方，為此我頭痛不已，最終我把它們徹底弄明

2、白了。 首先CAN數(shù)據(jù)總線有兩條導(dǎo)線，一條是黃色的，一條是綠色的。分別是CAN_High線和CAN_Low線當(dāng)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，這兩條導(dǎo)線上的電平一樣。這個(gè)電平稱為靜電平。大約為2.5伏。這個(gè)靜電平狀態(tài)就是隱形狀態(tài)，也稱隱性電平。也就是沒(méi)有任何干擾的時(shí)候的狀態(tài)稱為隱性狀態(tài).當(dāng)有信號(hào)修改時(shí)，CAN_High線上的電壓值變高了，一般來(lái)說(shuō)會(huì)升高至少1V，而CAN_Low線上的電壓值會(huì)降低一個(gè)同樣值，也是1v，那么這時(shí)候。CAN_High就 是2.5v+1v=3.5v,它就處于激活狀態(tài)了。而CAN_Low降為2.5v-1v=1.5v?？梢钥纯催@個(gè)圖由此我們得到在隱性狀態(tài)下，CAN_High線與CAN_Low

3、沒(méi)有電壓差，這樣我們看到?jīng)]有任何變化也就檢測(cè)不到信號(hào)。但是在顯性狀態(tài)時(shí)，電壓差最低為2V，我們就可以利用這種變化才傳輸數(shù)據(jù)了。所以出現(xiàn)了那些幀，那些幀中的場(chǎng)，那些場(chǎng)中的位，云云在總線上通常邏輯1表示隱性。而0表示顯性。這些1啊，0啊，就可以利用起來(lái)為我們傳數(shù)據(jù)了。利用這種電壓差，我們可以接收信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，控制單元通過(guò)收發(fā)器連接到CAN驅(qū)動(dòng)總線上，這個(gè)收發(fā)器（顧名思義，可發(fā)送，可接收）內(nèi)有一個(gè)接收器，該接收器是安裝在接收一側(cè)的差動(dòng)信號(hào)放大器。然后，這個(gè)放大器很自然地就放大了CAN_High和CAN_Low線的電平差，然后傳到接收區(qū)。如下圖由上圖可知，當(dāng)有電壓差，差動(dòng)信號(hào)放大器放大傳輸，將相應(yīng)的

4、數(shù)據(jù)位任可為0。下面我們進(jìn)入重點(diǎn)難點(diǎn)。報(bào)文所謂報(bào)文，就是CAN總線上要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)，為了安全，我們要給我們傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)編碼定一下協(xié)議，這樣才能不容易出錯(cuò)，所以出現(xiàn)了很多的幀，以及仲裁啊，CRC效驗(yàn)。這些都是難點(diǎn)。識(shí)別符的概念。識(shí)別符顧名思義，就是為了區(qū)分不同報(bào)文的可以鑒別的好多字符位。有標(biāo)準(zhǔn)的，和擴(kuò)展的。標(biāo)準(zhǔn)的是11位，擴(kuò)展的是29位。他有一個(gè)功能就是可以提供優(yōu)先級(jí)，也就是決定哪個(gè)報(bào)文優(yōu)先被傳輸，報(bào)文標(biāo)識(shí)符的值越小，報(bào)文具有越高的優(yōu)先權(quán)。CAN的報(bào)文格式有兩種，不同之處其實(shí)就是識(shí)別符長(zhǎng)度不同，具有11位識(shí)別符的幀稱為標(biāo)準(zhǔn)幀，而還有29位識(shí)別符的幀為擴(kuò)展幀，CAN報(bào)文有以下4個(gè)不同的幀類型。分別

5、是（1） 數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌?。?） 遠(yuǎn)程幀：總線節(jié)點(diǎn)發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請(qǐng)求發(fā)送具有同一標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀（3） 錯(cuò)誤幀：任何節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀（4） 過(guò)載幀：過(guò)載幀用已在先行的后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間提供一附加的延時(shí)我們先研究數(shù)據(jù)幀吧。一，數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同位場(chǎng)組成。這里的位場(chǎng)，就是不同位的組合，這名字起的很爛，讓人看了感覺(jué)很抽象。我們來(lái)看看這些個(gè)不同的位場(chǎng)吧。一開(kāi)始是一位幀起始，也叫SOF。它用顯性位表示，也就是0.它告訴我們，兩個(gè)線上有電壓差了，也就是有數(shù)據(jù)了。這個(gè)幀起始看起來(lái)只有一位，起始不簡(jiǎn)單了。為了讓所有的分站都同步于發(fā)送報(bào)文的發(fā)送站，好接收數(shù)據(jù)，有很多要

6、考慮的地方。然后下一個(gè)場(chǎng)是仲裁場(chǎng)。這個(gè)仲裁場(chǎng)是個(gè)難點(diǎn)。但是不要怕，有我在，你會(huì)很明白地搞定的。這個(gè)仲裁很抽象，其實(shí)在這里就是為了解決一個(gè)問(wèn)題。如果2個(gè)或2個(gè)以上的單元同時(shí)開(kāi)始傳送報(bào)文，那么就會(huì)有總線訪問(wèn)沖突。那么仲裁機(jī)制就是用來(lái)根據(jù)標(biāo)識(shí)符優(yōu)先級(jí)來(lái)一個(gè)一個(gè)的去掉低級(jí)別的數(shù)據(jù)。我們可以詳細(xì)的描述這場(chǎng)生動(dòng)的爭(zhēng)搶總線的戰(zhàn)斗。(問(wèn)題是多個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)往總線，總線電平不會(huì)累積嗎？標(biāo)識(shí)符越低，顯性位越多，是硬件仲裁的還是一種軟件機(jī)制)當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)呈隱性電平，此時(shí)任何節(jié)點(diǎn)都可以向總線發(fā)送顯性電平作為幀的開(kāi)始。2個(gè)或2個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送開(kāi)始爭(zhēng)搶總線，但是總線只能被一個(gè)人搶走?？偩€只屬于一個(gè)他。這時(shí)候到底怎么

7、決定誰(shuí)留下，誰(shuí)滾蛋呢。我們開(kāi)始考慮，思索，我們以前定義了標(biāo)識(shí)符，標(biāo)識(shí)符有優(yōu)先級(jí)，它越小，它優(yōu)先級(jí)越高。那么怎么實(shí)現(xiàn)的呢?？聪旅姘咽紫雀忝靼變牲c(diǎn)，一 下面的圖 低波形代表0，高波形代表1 二 當(dāng)隱性碰到顯性，就變?yōu)轱@性。如圖所示，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的標(biāo)識(shí)符的第10、9、8位電平相同，因此兩個(gè)節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到的信息和它們發(fā)出的信息相同。第7位節(jié)點(diǎn)B發(fā)出一個(gè)“1”，但從節(jié)點(diǎn)上接收到的消息卻是“0”，為什么呢，因?yàn)锳節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)出顯性位，讓總線也變成顯性了，也就是0。節(jié)點(diǎn)B會(huì)退出發(fā)送處于單純監(jiān)聽(tīng)方式而不發(fā)送數(shù)據(jù)；節(jié)點(diǎn)A成功發(fā)送仲裁位從而獲得總線的控制權(quán)，繼而發(fā)送全部消息?？偩€中的信號(hào)持續(xù)跟蹤最后獲得總線控制權(quán)發(fā)出

8、的報(bào)文，本例中節(jié)點(diǎn)A的報(bào)文將被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)被傳送前，報(bào)文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸了，因此具有高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸沒(méi)有任何延時(shí)。在獲得總線控制權(quán)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中，其他節(jié)點(diǎn)成為報(bào)文的接收節(jié)點(diǎn)，并且不會(huì)在總線再次空閑之前發(fā)送報(bào)文（自己也算接收節(jié)點(diǎn)？是的，總線嘛）在這逐位的比較中，最終節(jié)點(diǎn)B因?yàn)榈谄呶坏钠顏G掉了總線。從此單純監(jiān)聽(tīng)，江山就拱手讓給了節(jié)點(diǎn)A了。這就是仲裁機(jī)制這里我們涉及到總線值總線值 總線有二個(gè)互補(bǔ)的邏輯值：“顯性”或“隱性”?！帮@性”位和“隱性”位同時(shí)傳送時(shí)，總線的結(jié)果值為“顯性”。比如，在總線的“寫與”執(zhí)行時(shí)，邏輯0代表“顯

9、性”等級(jí)，邏輯1代表“隱性”等級(jí)。上面我們說(shuō)過(guò)，報(bào)文有兩種格式，標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展。這里，不同的格式仲裁場(chǎng)是不一樣的。標(biāo)準(zhǔn)格式下，仲裁場(chǎng)由11位識(shí)別符和RTR位組成。但在擴(kuò)展格式里，包括29位識(shí)別符，SRR位，IDE位，RTR位。RTR位。Remote Tranmission Request BIT 全稱為 遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位。它在數(shù)據(jù)幀里必須為顯性0 ，但在遠(yuǎn)程幀里為隱性1。我暈，為什么這么搞呢，不急，先留著這個(gè)問(wèn)題。SRR位，替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求位，SRR是一隱性位，也就是1，它在擴(kuò)展格式的標(biāo)準(zhǔn)幀RTR位位置，那么標(biāo)準(zhǔn)幀怪不得優(yōu)先于擴(kuò)展幀了，因?yàn)樵趥鬏斖?1位標(biāo)識(shí)符之后（擴(kuò)展幀的后18位在最后發(fā)送，先發(fā)送11

10、位標(biāo)識(shí)符），輪到標(biāo)準(zhǔn)幀的RTR位和擴(kuò)展幀的SRR位了。這時(shí)候，標(biāo)準(zhǔn)幀的RTR為顯性，而擴(kuò)展幀SRR為隱性，這樣，總線自然就被標(biāo)準(zhǔn)幀占據(jù)。同時(shí)上面那個(gè)問(wèn)題，也一目了然了，CAN總線協(xié)議設(shè)計(jì)者，肯定是設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀所以IDE 全稱識(shí)別符擴(kuò)展位(Identifier Extension Bit)，它屬于擴(kuò)展格式的仲裁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)格式的控制場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)格式的IDE位為顯性，擴(kuò)展格式里IDE位為隱性。這樣擴(kuò)展格式的數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級(jí)又落下了一截?？刂茍?chǎng)控制場(chǎng)有6位組成。標(biāo)準(zhǔn)的跟擴(kuò)展的又不同。標(biāo)準(zhǔn)的格式里的幀先是IDE位，然后保留位r0，然后數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼（共四位，分別是DLC3，DLC2，DLC1，DLC0）而擴(kuò)

11、展格式里，IDE替換為r1保留位，其余不變。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼指示了數(shù)據(jù)場(chǎng)里的字節(jié)數(shù)量。數(shù)據(jù)場(chǎng)：數(shù)據(jù)場(chǎng)由發(fā)送數(shù)據(jù)組成，可以為08個(gè)字節(jié)，從高位開(kāi)始（MSB）先發(fā)送。CRC場(chǎng)包括CRC序列，和CRC界定符。這個(gè)CRC序列又是一個(gè)難點(diǎn)，具體什么是CRC序列呢，CRC即循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（Cyclic Redundancy Check）：是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼，其特征是信息字段和校驗(yàn)字段的長(zhǎng)度可以任意選定。生成CRC碼的基本原理：任意一個(gè)由二進(jìn)制位串組成的代碼都可以和一個(gè)系數(shù)僅為0和1取值的多項(xiàng)式一一對(duì)應(yīng)。例如：代碼1010111對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式為x6+x4+x2+x+1，而多項(xiàng)式為x5+x3+x

12、2+x+1對(duì)應(yīng)的代碼101111。參考一下下面的例題.自已再領(lǐng)悟一下吧! 已知信息位為1100，生成多項(xiàng)式G(x) = x3+x+1，求CRC碼。 M(x) = 1100 M(x)*x3 = 1100000 G(x) = 1011 M(x)*x3 / G(x) = 1110 + 010 /1011 R(x) = 010 CRC碼為： M(x)*x 3+R(x)=1100000+010 =1100010 其原理是：CRC碼一般在k位信息位之后拼接r位校驗(yàn)位生成。編碼步驟如下： （1）將待編碼的k位信息表示成多項(xiàng)式 M(x)。 （2）將 M(x)左移 r 位，得到 M(x)*xr 。 （3）用r+

13、1位的生成多項(xiàng)式G(x)去除M(x)*xr 得到余數(shù)R(x)。 （4）將M(x)*xr 與R(x)作模2加，得到CRC碼。應(yīng)答場(chǎng)應(yīng)答場(chǎng)（ACK）長(zhǎng)度為2個(gè)位，包含應(yīng)答間隙和應(yīng)答界定符，在ACK場(chǎng)里，發(fā)送站發(fā)送兩個(gè)隱性位。當(dāng)接收器正確接收到有效地報(bào)文，接收器就會(huì)在應(yīng)答間隙期間(發(fā)送ACK信號(hào))向發(fā)送器發(fā)送一顯性位以示應(yīng)答。二 遠(yuǎn)程幀通過(guò)發(fā)送遠(yuǎn)程幀，總線的節(jié)點(diǎn)發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請(qǐng)求以前發(fā)送給它數(shù)據(jù)幀的節(jié)點(diǎn)再發(fā)送一遍。具體發(fā)送哪個(gè)數(shù)據(jù)幀，由遠(yuǎn)程幀的標(biāo)識(shí)符決定。遠(yuǎn)程幀的RTR是隱性的。沒(méi)有數(shù)據(jù)場(chǎng)，其余都與數(shù)據(jù)幀相同。三錯(cuò)誤幀錯(cuò)誤幀由兩個(gè)不同的場(chǎng)組成，第一個(gè)場(chǎng)是不同站提供的錯(cuò)誤標(biāo)志的疊加，第二個(gè)場(chǎng)是錯(cuò)誤界定符

14、。1 錯(cuò)誤標(biāo)志有兩種形式的錯(cuò)誤標(biāo)志，主動(dòng)地和被動(dòng)的。這就讓人很明白了。也就是說(shuō)主動(dòng)發(fā)出錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)發(fā)出錯(cuò)誤幀時(shí)，就是主動(dòng)地錯(cuò)誤標(biāo)志，而接收錯(cuò)誤幀的節(jié)點(diǎn)，就發(fā)出被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。主動(dòng)地錯(cuò)誤標(biāo)志由6個(gè)連續(xù)的顯性位組成。被動(dòng)的錯(cuò)誤標(biāo)志由6個(gè)連續(xù)的隱形位組成，除非被其他節(jié)點(diǎn)的顯性位重寫。檢測(cè)到錯(cuò)誤條件的錯(cuò)誤激活的站通過(guò)發(fā)送主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志指示錯(cuò)誤。這個(gè)錯(cuò)誤幀也可以看做有著跟數(shù)據(jù)幀類似的場(chǎng)結(jié)構(gòu)，錯(cuò)誤標(biāo)志的形式顯然破壞了從幀起始到CRC界定符的位填充規(guī)則（檢測(cè)到5個(gè)相同的位，就插入一個(gè)補(bǔ)充位，但是錯(cuò)誤幀卻有6個(gè)相同的位，顯然破壞了）?；蛘咂茐牧薃CK場(chǎng)或幀結(jié)尾場(chǎng)的固定形式。所有其他的站由此檢測(cè)到錯(cuò)誤條件。并于此同時(shí)

15、發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志。并且假如有很多站都有自己的錯(cuò)誤發(fā)送，它們會(huì)都發(fā)送主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志，這種顯性標(biāo)志顯然被疊加在一起。(2)錯(cuò)誤界定符錯(cuò)誤界定符包括8個(gè)“隱性”的位。錯(cuò)誤標(biāo)志傳送了以后，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)就發(fā)送一個(gè)“隱性”的位，并一直監(jiān)視總線直到檢測(cè)出一個(gè)“隱性”的位為止，然后就開(kāi)始發(fā)送其余7個(gè)“隱性”位。四 過(guò)載幀過(guò)載幀包括2個(gè)位場(chǎng)：過(guò)載標(biāo)志和過(guò)載界定符有三種過(guò)載的情況，這三種情況都會(huì)引起過(guò)載標(biāo)志的發(fā)送1接收器的內(nèi)部情況（此接收器對(duì)于下一數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀需要一定的延時(shí)） 這種情況引發(fā)的過(guò)載幀只允許起始于所期望間歇的第一個(gè)位時(shí)間。2在間歇的第1和第2字節(jié)檢測(cè)到一個(gè)顯性位 這里有個(gè)間歇的概念。我們可以講講。間歇屬于幀

16、間空間的一部分。它包含三個(gè)隱性位。間歇期間，所有的站不允許傳送數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀。它唯一要做的就是標(biāo)示一個(gè)過(guò)載條件。3 如果CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤界定符或過(guò)載界定符的第8位采樣到一個(gè)顯性位，有了上面的情況，則節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送一個(gè)過(guò)載幀。錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器不會(huì)增加。對(duì)于情況2，3引發(fā)的過(guò)載幀應(yīng)起始于所檢測(cè)到顯性位之后的位。通常為了延時(shí)下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀，兩種過(guò)載幀均可產(chǎn)生。過(guò)載標(biāo)志由6個(gè)顯性位組成。過(guò)載標(biāo)志的所有形式和主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志一樣。過(guò)載標(biāo)志的形式破壞了間歇場(chǎng)的固定形式，因此，所有其他的站都檢測(cè)到過(guò)載條件并于此同時(shí)發(fā)出過(guò)載標(biāo)志。過(guò)載界定符 8個(gè)隱形位幀間空間數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）與先行幀的隔離是通過(guò)幀間空間實(shí)現(xiàn)的。無(wú)論此先行幀類型如何。所不同的是過(guò)載幀與錯(cuò)誤幀之間沒(méi)有幀間空間。多個(gè)過(guò)載幀之間也不是由幀間空間隔離的。幀間空間包括間歇，總線空閑的位場(chǎng)。如果錯(cuò)誤被動(dòng)的站已作為前一報(bào)文的發(fā)送器，則其幀空間除了間歇，總線空閑外，還包括稱作掛起傳送的