大家好，我是小麥。最近在調試一個CAN總線的設備時遇到了一些問題，在此簡單總結一下。本文將對CAN總線進行簡單介紹，包括CAN的硬件鏈路層、協議層，以及調試的心得。
目錄什麼是CAN總線？
物理層
差分信號
連接方式
CAN節點
CAN協議
如何尋址？
幀類型
數據幀
遠程幀
錯誤幀
過載幀
消息時序以及同步
位時序
波特率
消息過濾器
如何配置？
總結
參考
什麼是CAN總線？Controller Area Network，簡稱CAN或者CAN bus) 是一種功能豐富的串行總線標準，最早的CAN控制芯片在奔馳車上應用並量產，因為支持多主機，多從機的優點，所以一輛車所有控制器，傳感器，電子設備直接的通信只需要兩條線就夠了，大大優化了整車的布線。[^wiki can bus]
隨着技術的不斷發展，CAN發布了相應的標準，國際化標準組織，公布了CAN的不同標準；
ISO 11898-1 ，ISO 11898-2是對應的設計標準，去搜索就可以知道這個技術點是如何進行設計的。
物理層差分信號這裡我們介紹一下物理層，什麼是物理層呢？就是CAN的電信號的傳輸過程。CAN是串行異步通訊，只有CAN_HIGH和CAN_LOW兩條差分信號線，數據通過差分信號的方式進行通訊，其優點就是可以增加信號的抗干擾能力，抑制共模信號的干擾；
具體如下圖所示；
所以，信號在變成一個字節一個字節的數字信號之前，就是按照這種差分形式的模擬信號來傳輸的。
我們可以簡單地理解一下，當CAN_HIGH減去CAN_LOW大於某個閾值的時候，可以把它當做邏輯高，反之，當小於某一個閾值時，就變成邏輯低。
下面我們再來看看CAN總線設備之間是如何連接的。
連接方式CAN總線支持多個節點掛載在總線上，比較類似I2C總線，可以在SCL和SDA上掛載多個從機，具體如下圖所示；
不過CAN總線其實沒有主從的概念，每個設備都是一個節點（Node），節點直接可以相互通訊，相較於I2C總線，CAN總線設置了終端電阻，常見的一種閉環連接模式，相對的還有開環的連接模式。
不同的連接模式，他們的通訊速率也大不相同，這裡也就是高速CAN和低速CAN的區別。
兩條電線組成一條雙絞線，並且接有120Ω的特性阻抗。ISO 11898-2，也稱為高速度CAN。它在總線的兩端均接有120Ω電阻。
使用了120Ω終端電阻（這是CAN的ISO標準里規定的），這種模式的最高通訊速率可以達到1Mbps，下面是傳輸距離和傳輸速度的關係；
CAN總線長度與信號速率關係高速CAN的拓撲結構具體如下所示；
還有一種是低速CAN，或者也叫做容錯CAN，低速容錯 CAN 總線將通訊的最大帶寬從 1 Mbps 降低到 125 Kbps，並且不再在總線的起點和終點使用兩個終端電阻，而是將電阻分布在每個節點上。具體如下圖所示；
由於高速CAN和低速CAN的拓撲結構不同，另外終端電阻的分布也不同，所以CAN_HIGH和CAN_LOW上的電平是不相同的，這裡有隱性電平和顯性電平。
硬件上的連接基本上都搞清楚了，下面就是如何去實現一個具體的CAN節點。我們來簡單地介紹一下。
CAN節點CAN節點通常分為三個部分；
通常一些單片機內部就集成了相應的CAN控制器外設，比如我們比較常用的單片機——STM32，所以我們常見的結構一般是這樣子的。
所以整體的流程是這樣的，如下：
那麼，對於單片機開發者而言，需要關注的就是最終CAN控制器傳輸給MCU的數據，如何去配置CAN控制器，以及使用CAN控制進行數據的讀取和發送。
既然這樣，我們就不得不去了解一下CAN總線的通信原理，如何尋址，上層協議如何規定的。
CAN協議CAN協議和網絡協議比較類似，進行了分層的設計思想；
按照我的理解；
CAN總線上的每個節點不需要設置節點的地址，而是通過消息的標識符（Identifier）來區別信息。因為CAN總線的消息是廣播的（就是大家都可以收到消息），比如總線上有節點A，節點B，節點C，那麼節點A發消息，節點B和節點C都會收到消息；
節點B 和 節點C 會根據消息中的標識符，以及B和C中的消息過濾規則進行比較，如果不滿足規則，就不接受這條信息。
這裡需要注意的是：
在這裡我們已經了解如何尋址，下面就看一下消息幀了。
幀類型CAN有4種幀類型：
這裡我們有必要重點了解一下數據幀，下面繼續介紹各種幀之間的區別。
數據幀數據幀分為標準幀和擴展幀兩種格式；
數據幀的結構具體如下所示；
數據幀格式簡單介紹一下數據幀的細節；
sof：start of frame，表示數據幀開始；（1 bit）
Identifier：標準格式11 bit，擴展格式29 bit包括Base Identifier（11 bit）和Extended Identifier（18 bit），該區段標識數據幀的優先級，數值越小，優先級越高；
RTR：遠程傳輸請求位，0時表示為數據幀，1表示為遠程幀，也就是說RTR=1時，消息幀的Data Field為空；（1 bit）
IDE：標識符擴展位，0時表示為標準格式，1表示為擴展格式；（1 bit）
DLC：數據長度代碼，0~8表示數據長度為0~8 Byte；（4 bit）
Data Field：數據域；（0~8 Byte）
CRC Sequence：校驗域，校驗算法,
DEL：校驗域和應答域的隱性界定符；（1 bit）
ACK：應答，確認數據是否正常接收，所謂正常接收是指不含填充錯誤、格式錯誤、 CRC 錯誤。發送節點將此位為1，接收節點正常接收數據後將此位置為0；（1 bit）
SRR：替代遠程請求位，在擴展格式中占位用，必須為1；（1 bit）
EOF：連續7個隱性位（1）表示幀結束；（7 bit）
ITM：幀間空間，Intermission (ITM)，又稱Interframe Space (IFS)，連續3個隱性位，但它不屬於數據幀。幀間空間是用於將數據幀和遠程幀與前面的幀分離開來的幀。數據幀和遠程幀可通過插入幀間空間將本幀與前面的任何幀（數據幀、遙控幀、錯誤幀、過載幀）分開。過載幀和錯誤幀前不能插入幀間空間。
一般地，數據是由發送單元主動向總線上發送的，但也存在接收單元主動向發送單元請求數據的情況。遠程幀的作用就在於此，它是接收單元向發送單元請求發送數據的幀。遠程幀與數據幀的幀結構類似，如上圖X所示。遠程幀與數據幀的幀結構區別有兩點：
遠程幀的 DLC 塊表示請求發送單元發送的數據長度（Byte）。當總線上具有相同標識符的數據幀和遠程幀同時發送時，由於數據幀的 RTR 位是顯性的，數據幀將在仲裁中贏得總線控制權。
錯誤幀用於在接收和發送消息時檢測出錯誤時，通知錯誤的幀。錯誤幀由錯誤標誌和錯誤界定符構成。錯誤幀的幀結構如圖11示。
錯誤標誌：
個顯性/隱性重疊位
錯誤界定符：8 個隱性位
過載幀是用於接收單元通知發送單元它尚未完成接收準備的幀。在兩種情況下，節點會發送過載幀：
每個節點最多連續發送兩條過載幀。過載幀由過載標誌和過載界定符（8 個隱性位）構成。數據幀的幀結構如圖12所示。
can_overload_frame這裡基本把幀介紹完了，但是每個節點之間的通訊，我們如何知道這一幀開始接收了，這一幀已經接收結束了呢？下面就需要了解一下消息的時序和消息同步的方法。
消息時序以及同步位時序在講CAN消息時序和同步之前，我們可以對照一下UART串口的傳輸協議，他有起始位和停止位，然後大家都規定使用相同的通訊速率（波特率）；
其實CAN通訊也是類似的方式，它屬於異步通訊，沒有時鐘信號線，所以所有節點之間要約定好使用相同的波特率來傳輸數據。
在總線空閒一段時間後，在（起始位） 進行硬同步，同步方式是將每一位劃分成多個稱為量子的時間段（time quanta），並分配一定數量的量子到位中的四個階段完成的。
這四個階段分別為：
具體如下圖所示；
位時序波特率如何計算波特率，需要知道每個量子時間的長度（time quanta），以及每一位需要多少個量子時間，
假設這裡time quanta = 1us ，並且1 bit = 8 tq，那麼上圖中的波特率就應該是：
消息過濾器
前面有提到消息在CAN總線上是廣播式的，但並不是所有節點都會對總線上所有消息感興趣。節點通過控制器中過濾碼（Filter Code ）和掩碼（Mask Code），再檢驗總線上消息的標識符，來判斷是否接收該消息（Message Filtering）。
對於掩碼，「1」表示該位與本節點相關，「0」表示該位與本節點不相關。舉例如下：
例1：僅接收消息標識符為00001567（十六進制）的幀
節點檢測消息的標識符的所有位（29位），如果標識符為00001567接收，否則捨棄。
例2：接收消息標識符為00001567 到0000156F 的幀
節點檢測消息的標識符的高25位，最低的4位則不care。如果標識符最高25位相同則接收，否則捨棄。
例3：接收消息標識符為00001560 到 00001567 的幀
節點檢測消息的標識符的高26位，最低的3位則不care。如果標識符最高26位相同則接收，否則捨棄。
例4：接收所有消息幀幀
節點接收總線上所有消息。
如何配置？上面介紹了幀類型，那麼如何基於MCU進行配置呢？這裡以STM32F407為硬件平台，使用HAL庫進行初始化，看一下都對哪些地方進行了配置。一般來說，我們需要配置CAN的波特率，消息過濾器等等，下面是簡單的配置的代碼；
CAN_HandleTypeDefhCAN;voidMX_CAN_Init(void){CAN_FilterTypeDefsFilterConfig;/*CAN單元初始化*/hCAN.Instance=CAN1;/*CAN外設*//*BTR-BRP波特率分頻器定義了時間單元的時間長度42/(1+6+7)/6=500Kbps*/hCAN.Init.Prescaler=6;hCAN.Init.Mode=CAN_MODE_NORMAL;/*正常工作模式*/hCAN.Init.SyncJumpWidth=CAN_SJW_1TQ;/*BTR-SJW重新同步跳躍寬度1個時間單元*/hCAN.Init.TimeSeg1=CAN_BS1_6TQ;/*BTR-TS1時間段1占用了6個時間單元*/hCAN.Init.TimeSeg2=CAN_BS2_7TQ;/*BTR-TS1時間段2占用了7個時間單元*/hCAN.Init.TimeTriggeredMode=DISABLE;/*MCR-TTCM關閉時間觸發通信模式使能*/hCAN.Init.AutoBusOff=ENABLE;/*MCR-ABOM自動離線管理*/hCAN.Init.AutoWakeUp=ENABLE;/*MCR-AWUM使用自動喚醒模式*/hCAN.Init.AutoRetransmission=DISABLE;/*MCR-NART禁止報文自動重傳DISABLE-自動重傳*//*MCR-RFLM接收FIFO鎖定模式DISABLE-溢出時新報文會覆蓋原有報文*/hCAN.Init.ReceiveFifoLocked=DISABLE;/*MCR-TXFP發送FIFO優先級DISABLE-優先級取決於報文標示符*/hCAN.Init.TransmitFifoPriority=DISABLE;if(HAL_CAN_Init(&hCAN)!=HAL_OK){//Error_Handler();}//初始化發送器hCAN1_TxMessage.IDE=CAN_ID_STD;hCAN1_TxMessage.RTR=CAN_RTR_DATA;hCAN1_TxMessage.TransmitGlobalTime=ENABLE;//初始化濾波器設置為0則不對消息進行過濾hCAN1_Filter.FilterIdHigh=0;/*要過濾的ID高位*/hCAN1_Filter.FilterIdLow=0;/*要過濾的ID低位*/hCAN1_Filter.FilterMaskIdHigh=0;/*過濾器高16位每位必須匹配*/hCAN1_Filter.FilterMaskIdLow=0;/*過濾器低16位每位必須匹配*/hCAN1_Filter.FilterFIFOAssignment=CAN_FILTER_FIFO0;/*過濾器被關聯到FIFO0*/hCAN1_Filter.FilterBank=0;hCAN1_Filter.FilterMode=CAN_FILTERMODE_IDMASK;/*工作在標識符屏蔽位模式*/hCAN1_Filter.FilterScale=CAN_FILTERSCALE_32BIT;/*過濾器位寬為單個32位。*/hCAN1_Filter.FilterActivation=ENABLE;hCAN1_Filter.SlaveStartFilterBank=0;HAL_CAN_ConfigFilter(&hCAN,&hCAN1_Filter);while(HAL_CAN_Start(&hCAN)!=HAL_OK){printf("\nCAN_StartFailed!!");HAL_Delay(100);}HAL_CAN_ActivateNotification(&hCAN,CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);}下面是CAN發送的函數，我們需要自己構建相應的消息幀格式，通常需要設置消息幀的ID格式，消息長度，具體如下；
voidCAN_TxMessage(CAN_HandleTypeDef*hcan,uint16_tID,uint8_taData[],uint8_tDLC){uint32_tTx_MailBox;/*-1-配置數據段長度----------------------------------------*/hCAN1_TxMessage.IDE=CAN_ID_STD;hCAN1_TxMessage.RTR=CAN_RTR_DATA;hCAN1_TxMessage.StdId=ID;hCAN1_TxMessage.DLC=DLC;hCAN1_TxMessage.TransmitGlobalTime=ENABLE;/*-2-發送aData---------------------------------------------*/while(HAL_CAN_AddTxMessage(hcan,&hCAN1_TxMessage,aData,&Tx_MailBox)!=HAL_OK){HAL_Delay(5);}}上述代碼設置發送消息：
整體可以參考前面介紹的消息幀格式，篇幅有限，這裡就先簡單的介紹一下。
總結本文對CAN總結進行了簡單的介紹，CAN通訊的特點可以總結如下；
本着對自己和對他人負責的原則，由於我接觸CAN的時間也不是很久，本文很多是基於個人在項目中學習和總結的經驗，所以文中難免存在錯誤和不足，請各位不吝賜教，及時指出。如果文章幫到了你，請幫忙點個讚、點個在看吧，謝謝！
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