CAN总线之理论篇

CAN总线之理论篇（一）

前段时间负责即将发布的SoC上CAN总线模块的开发，截止目前为止，整个驱动模块不管在裸机还是在Linux下测试性能都很稳定，并且整个底层代码完善了代码规范，前期基本上算告以尾声。在这个开发过程中有很多记录，在此和大家交流分享一下。

CAN总线是啥？

为了知识的完备性稍微了解下背景，网上一搜一大堆。

CAN总线是由德国研发和生产汽车电子产品著称的BOSCH公司开发的，此后CAN协议经过 ISO 标准化后有两个标准：ISO11898标准和 ISO11519标准。现在已是汽车网络的标准协议，同时是目前国际上应用最为广泛的现场总线之一。

引用一个比喻：把汽车比如成人体，那CAN总线就是神经系统，电子控制单元（ECU）就是身体的一部分，身体是由多个ECU组成的，各个ECU之间通过神经系统进行通信，一个部分感知到的信息可以与另一部分共享。

CAN 是 Controller Area Network 的缩写（以下称为 CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。

CAN 在汽车上的应用示例

CAN总线基本结构

CAN总线协议分析

CAN总线协议如下表所示涵盖了ISO规定的OSI基本参照模型中的传输层、数据链路层及物理层。后续内容大致依次按照此顺序展开。

物理层

首先CAN总线通信是没有时钟信号来进行同步的（即异步通信）和IIC及SPI等具有时钟信号通信方式不同。

如上面“CAN总线基本结构” 图所示，连接在CAN总线上的设备叫做节点设备（CAN Node），CAN的通信节点由一个CAN控制器和一个CAN收发器组成。一般CAN控制器集成在主控芯片内部，需要外接CAN收发器（也有部分集成在芯片内部的，感兴趣的自行查找）。同时CAN总线只具有CAN_High和CAN_Low一对差分信号线，线上传输为对称的差分电平信号。其中CAN收发器的作用则是把逻辑信号转换为差分信号：

    上面说到CAN协议经过ISO标准化后有两个标准：ISO11898标准和ISO11519-2标准。二者对于数据链路层的定义相同，但物理层不同。ISO11898是针对通信速率为125Kbps~1Mbps 的高速通信标准，而 ISO11519-2是针对通信速率为 125Kbps以下的低速通信标准。物理层特征如下所示：

    放大上图电平部分如下所示：

    发送数据时，CAN控制器把需要发送的二进制编码通过CAN_TX信号线发送到CAN收发器上，再由CAN收发器把TTL逻辑电平信号转换为CAN差分信号CAN_High 和CAN_Low发送到CAN总线上。接收数据的过程则与发送数据的过程相反。

所谓的差分信号，即信号的逻辑“0”和逻辑“1”不再是单纯的与地线电压比较的低电平和高电平，而是根据两条差分信号线的电压差决定逻辑“0”和逻辑“1”。如上所示，不同标准的CAN，其物理层信号也有所差异，以ISO11898协议为例，隐性（逻辑“1”）时，CAN_High 和CAN_Low 电压都为2.5 V，即两者的电压差 VH - VL= 0；显性（逻辑“0”）时，CAN_High电压为 3.5 V，CAN_Low为1.5V，即电压差 VH - VL= 2 V。所以判别CAN总线是逻辑“1”还是逻辑“0”不是依靠CAN总线信号的电压值，而是CAN 总线两条总线的电压差。

关于CAN总线“线与”逻辑的说明：总线上执行逻辑上的“线与”时，显性电平的逻辑值为“0”，隐性电平为“1”。“显性”具有“优先”的意味，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平。并且“隐性”具有“包容”的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平（显性电平比隐性电平更强，优先级更高）。

CAN报文（message）种类

CAN总线物理层非常简洁，仅采用两根差分线来组成一个数据通道。与USB协议相同（后续看项目情况，可能更新USB协议内容），物理层决定了CAN总线必须配套更加复杂的上层协议，即对数据和操作指令打包。CAN总线以 “帧”（Frame）的形式进行通信。CAN总线协议规定了5种帧，分别是数据帧、远程帧、错误帧、超载帧以及帧间隔，其中数据帧最常用，下表是各个帧的用途。

数据帧有标准格式(CAN2.0A) 和扩展格式(CAN2.0B) 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。扩展格式的基本ID和标准格式的ID相同。禁止高 7 位都为隐性（禁止设定：基本 ID=1111111XXXX）。数据帧一般由7个段构成，如下所示：

分段介绍如下：
帧起始——SOF