本文力求以圖文并茂來接好CAN通訊協(xié)議的基礎(chǔ)知識，希望能給有興趣的朋友帶來一些收獲。

為了便于大家理解與接受，請先看一幅圖：

圖1 電話會議

簡單地講CAN總線就如上圖1中兩根粗黃線，其通訊原理：好比開一個電話會議，大家都撥進(jìn)來了，這時會議的狀態(tài)可能是：

一人說，其他人聽；

兩人甚至多人同時開口了，但只會讓另一人說，其他人聽；

一人要求另一人說；

有人睡著了，掉線了，電話卡頓了... ...

針對于上述各種情況，要保證這個電話會議的有序高效地進(jìn)行，那么我們需要有一些約定俗成的規(guī)定或協(xié)議，大家都遵守。CAN總線通訊與這種電話會議形式有異曲同工之處，那么CAN總線通訊到底具體是怎么回事？接下來將以理論與實(shí)踐相結(jié)合方法來介紹CAN通訊協(xié)議。

第1部分 概覽

感謝前人引路，激勵后人前行，先簡要引自：

控制器局域網(wǎng)CAN( Controller Area Network)屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。是由德國博世公司在20世紀(jì)80年代專門為汽車行業(yè)開發(fā)的一種串行通信總線。由于其高性能、高可靠性以及獨(dú)特的設(shè)計而越來越受到人們的重視，被廣泛應(yīng)用于汽車業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域。隨著CAN總線在各個行業(yè)和領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對其的通信格式標(biāo)準(zhǔn)化也提出了更嚴(yán)格的要求。1991年CAN總線技術(shù)規(guī)范（Version2.0）制定并發(fā)布。該技術(shù)規(guī)范共包括A和B兩個部分。其中2.0A給出了CAN報文標(biāo)準(zhǔn)格式，而2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種格式。

1.1 CAN總線架構(gòu)簡介

CAN總線是一種用于在不同的ECU（電子控制單元）之間傳輸數(shù)據(jù)的線，CAN總線協(xié)議是一種ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，有 ISO-11898 和 ISO-11519兩個系列。其定義有：

ISO-11898 定義了通信速率為 125 kbps ~1Mbps 的高速 CAN 通信標(biāo)準(zhǔn)，屬于閉環(huán)總線，傳輸速率可達(dá)1Mbps，總線長度 ≤ 40米，如圖2。

ISO11519 定義了通信速率為 10～125 kbps 的低速 CAN 通信標(biāo)準(zhǔn)，屬于開環(huán)總線，傳輸速率為40kbps時，總線長度可達(dá)1000米，如圖2。

圖2 兩類CAN總線（引自[1]）

高速CAN和低速CAN廣泛應(yīng)用于汽車總線，如下圖3。

圖3 兩類CAN總線應(yīng)用在汽車(引自[2])

CAN總線終端電阻的作用？為什么是120Ω？為什么是0.25W？

CAN通訊速率(位速率)與CAN總線長度的關(guān)系大致如下圖。

以上介紹了高低速CAN兩種總線架構(gòu)的基本概念，接下來具體看看這兩種CAN總線。

1.2 CAN總線結(jié)構(gòu)信息

將上圖2細(xì)化，我們可以看到兩種CAN總線結(jié)構(gòu)都有CAN_H，CAN_L兩根線和多個節(jié)點(diǎn)。其中CAN_H和CAN_L線是以雙絞形式纏繞，每個節(jié)點(diǎn)都有CAN收發(fā)器（transceiver）和CAN控制器（controller），CAN收發(fā)器和CAN控制器可能集成在芯片（on-chip），也可能是獨(dú)立于芯片(off-chip)。（圖3列舉了兩種CAN收發(fā)器--TJA1054和82C250）

圖4 兩類CAN總線（引自[3]）

圖6 雙絞線形式（提高抗干擾能力，引自附1）

附1: CAN總線抗干擾的6條“軍規(guī)”zhuanlan.zhihu.com/p/26

1.3 CAN總線信號

CAN總線上，信號表現(xiàn)為電壓形式，通過CAN_H和CAN_L線上的電位差來表示CAN信號，分為顯性電平(dominant)和隱性電平(recessive)兩種類型。其中顯性電平規(guī)定為邏輯0，隱性電平則為邏輯1。其具體定義可通過下圖來理解。

圖7 ISO-11898 (高速CAN）和ISO-11519（低速CAN）的CAN信號定義（引自[3]）

具體說，如上圖第1幅圖：當(dāng)CAN_H和CAN_L的電壓均為2.5v，兩者電壓差為0，就規(guī)定CAN信號為隱性電平；當(dāng)CAN_H的電壓為3.5v，CAN_L的電壓為1.5v，兩者電壓差為2V，就規(guī)定CAN信號為顯性電平。這里實(shí)際的規(guī)定是：電壓差滿足定義的一定范圍，就可以認(rèn)為是顯性電平或者隱性電平，比如電壓差在1.5-2.5v范圍，都認(rèn)為是顯性電平。

為了加深理解，看了一段實(shí)際采集的電壓形式的CAN信號：

圖8 高速CAN總線實(shí)際電壓狀態(tài)

1.4 CAN信號傳輸

上述的電位差（差分電平）與邏輯電平由CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)。在發(fā)送過程，CAN控制器將CPU傳來的信號轉(zhuǎn)換為邏輯電平。CAN收發(fā)器接收邏輯電平之后，再將其轉(zhuǎn)換為差分電平輸出到CAN總線上。

圖9 CAN信號發(fā)送（引自3）

在接收過程，CAN收發(fā)器將CAN_H 和 CAN_L 線上傳來的差分電平轉(zhuǎn)換為邏輯電平輸出到CAN控制器，CAN控制器再把該邏輯電平轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號發(fā)送到CPU上。

圖10 CAN信號接收（引自3）

通俗地講，就是發(fā)送方通過CAN收發(fā)器使總線電平發(fā)生變化，將其信息傳遞到CAN總線上。接收方通過監(jiān)聽總線電平，將總線上的消息讀入自己的CAN收發(fā)器。

由上可知：CAN總線有2種架構(gòu)，CAN信號有2種形式，CAN信號發(fā)送和接收2個過程。

第2部分 CAN總線特性

為了有助于理解后面講述的內(nèi)容，先看CAN總線有什么特性。

2.1 多主工作方式

CAN總線上的所有節(jié)點(diǎn)沒有主從之分，反應(yīng)在數(shù)據(jù)傳輸上是：在總線空閑狀態(tài)下，任意節(jié)點(diǎn)都可以向總線上發(fā)送信息。另外：最先向總線發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)獲得總線的發(fā)送權(quán)；當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)同時向總線發(fā)送消息時，所發(fā)送消息的優(yōu)先權(quán)高的那個節(jié)點(diǎn)獲得總線的發(fā)送權(quán)。

圖11 多主工作方式示意圖(引自[5])

圖11說明：0x12優(yōu)先級高于0x67，所以0x12先于0x67發(fā)送；緊接著0x52也要求發(fā)送，同樣其優(yōu)先級也高于0x67，所以0x52先于0x67發(fā)送，依次類推。這里0x12優(yōu)先級高于0x67是怎么判斷的呢？這就下個特點(diǎn)相關(guān)。

2.2 非破壞性仲裁機(jī)制

非破壞性仲裁機(jī)制是一種既不會造成已發(fā)送數(shù)據(jù)的延遲，也不會破壞已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)的仲裁機(jī)制，其具體實(shí)施需要了解CAN協(xié)議幀結(jié)構(gòu)，線與機(jī)制等。其中，線與機(jī)制簡單說就是位與計算，顯性電平會覆蓋隱性電平（換種方式理解：電路通路情況下，有一個端點(diǎn)接地（GND），那么整個電路電壓就接地了）。

圖12 線與機(jī)制圖解(引自[6])

再了解線與機(jī)制后，看一個簡單的仲裁例子，如下圖：

上圖：假設(shè)CAN總線上只有兩個節(jié)點(diǎn) A和B，它倆的ID用邏輯電平表示，我們規(guī)定：從SOF位開始，從左往右逐位比較，只要出現(xiàn)位不一樣，比較就結(jié)束，顯性電平者勝出，有權(quán)發(fā)送。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)A，B都發(fā)送請求時，開始逐位比較，直到它倆的ID7位，節(jié)點(diǎn)A為顯性電平，節(jié)點(diǎn)B為隱性電平。根據(jù)線與機(jī)制，節(jié)點(diǎn)A勝出，優(yōu)先發(fā)送。這就是一個大致的非破壞性仲裁過程。為了精準(zhǔn)地實(shí)施仲裁過程，對CAN協(xié)議幀結(jié)構(gòu)有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計，后續(xù)將會詳細(xì)分析。

2.3 系統(tǒng)的柔軟性

與總線相連的節(jié)點(diǎn)沒有類似于“地址”的信息。因此在總線上增加節(jié)點(diǎn)時，連接在總線上的其它節(jié)點(diǎn)的軟硬件及應(yīng)用層都不需要改變。

2.4 通信速度

根據(jù)整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，可設(shè)定適合的通信速度。在同一網(wǎng)絡(luò)中，所有單元必須設(shè)定成統(tǒng)一的通信速度。即使有一個單元的通信速度與其它的不一樣，此單元也會輸出錯誤信號，妨礙整個網(wǎng)絡(luò)的通信。不同網(wǎng)絡(luò)間則可以有不同的通信速度。（簡單一句話理解：雙方必須需要在同一頻道交流，不然溝通就有障礙）

引自[6]

2.5 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求

可通過發(fā)送“遙控幀” 請求其他單元發(fā)送數(shù)據(jù)。

引自[6]

2.6 信息廣播

信息廣播就如：節(jié)點(diǎn)A發(fā)送一條ID 0x12的信息，然后節(jié)點(diǎn)B,C,D都能收到。

引自[5]

上圖節(jié)點(diǎn)B,C,D最終是否會接收這個0x12發(fā)送信息，與他們設(shè)置相關(guān)，如下圖只有節(jié)點(diǎn)B設(shè)置接收，C，D將會丟棄該條信息，這個過程與報文過濾相關(guān)。

第3部分 CAN協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

上述仲裁機(jī)制部分我們提到CAN協(xié)議幀，總的來說CAN協(xié)議幀有5種類型，下面逐個展開。

引自[4]

由于數(shù)據(jù)幀與遙控幀的最大差別在于遙控幀沒有數(shù)據(jù)段，所以將兩者放在一起講述：

3.1數(shù)據(jù)幀和遙控幀

數(shù)據(jù)幀和遙控幀都有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式，這2種格式都具有相同的幀結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)幀由7個段構(gòu)成，遙控幀由6個段構(gòu)成。先看數(shù)據(jù)幀：

圖13 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)及其兩種格式(引自[4])

引自[6]

這里結(jié)合實(shí)際采集的CAN總線電壓信號來看下標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀。

圖14 標(biāo)準(zhǔn)（格式）數(shù)據(jù)幀的CAN總線電壓（引自[5]）

再看遙控幀（也叫遠(yuǎn)程幀）：

圖15 遙控幀的兩種格式（引自[4]）

通過圖13和15對比數(shù)據(jù)幀和遙控幀有：

通過對數(shù)據(jù)幀和遙控幀有了基本認(rèn)識，下面我們再具體了解下每個段。

1) 幀起始（SOF, Start of Frame）

表示幀開始的段，1個位的顯性位。（總線空閑時為隱性位，故幀起始以顯性位非常好識別），對于數(shù)據(jù)幀和遙控幀的標(biāo)準(zhǔn)/擴(kuò)展格式均如此。

引自[4]

2) 仲裁段（Arbitration field）

表示數(shù)據(jù)的優(yōu)先級的段，起作用就是根據(jù)報文ID來確定其發(fā)送優(yōu)先級。標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式在此的構(gòu)成有所不同。

引自[4]

這里對比數(shù)據(jù)幀與遙控幀各自的兩個格式，其不同為：

針對上表的這種設(shè)計，后面會具體分析其在仲裁過程的作用。

3) 控制段（Control field）

表述數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)，由6個位構(gòu)成，標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的構(gòu)成有所不同。

引自[4]

?

圖16 控制段與數(shù)據(jù)段的關(guān)系(引自[5])

4) 數(shù)據(jù)段(Data Field)

數(shù)據(jù)段可包含0-8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，從MSB（最高位）開始輸出。遙控幀沒有此段。

引自[4]

5) CRC段（Cyclic Redundancy Check Field）

檢查幀傳輸錯誤的幀，由15個位的CRC順序和1個位的CRC界定符（用于分隔位）構(gòu)成。CRC界定符恒為隱性。

引自[4]

這里CRC順序是根據(jù)多項式生成的CRC值，CRC的計算范圍包括幀起始，仲裁段，控制段和數(shù)據(jù)段。

圖17 CRC序列計算方法

附2：en.wikipedia.org/wiki/C , 如何通俗的理解CRC校驗并用C語言實(shí)現(xiàn)， zhuanlan.zhihu.com/p/77

6) ACK段（Acknowledge Field）

用來確認(rèn)是否正常接收。由ACK槽（ACK Slot）和ACK界定符2個位構(gòu)成。

引自[4]

?

圖18 發(fā)送與接收時的ACK槽狀態(tài)(引自[3])

7) 幀結(jié)束(End of Frame)

表示該幀的結(jié)束的段。由7個位的隱性位構(gòu)成。

引自[4]

3.2 錯誤幀

用于在接收和發(fā)送消息時檢測出錯誤通知錯誤的幀，錯誤幀由錯誤標(biāo)志和錯誤界定符構(gòu)成。

圖19 錯誤幀結(jié)構(gòu)(引自[4])

上圖的錯誤標(biāo)志包括主動錯誤標(biāo)志（6個位的顯性位）和被動錯誤標(biāo)志（6個位的隱性位）兩種。主動錯誤標(biāo)志處于主動錯誤狀態(tài)下的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標(biāo)志。被動錯誤標(biāo)志處于被動錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標(biāo)志。錯誤界定符由8個位的隱性位構(gòu)成。

注意上圖0~6位的錯誤標(biāo)志重疊，這段怎么確定呢？需先介紹2個概念：位填充和錯誤類型。

1）位填充(Bit Stuffing)

位填充是為防止突發(fā)錯誤而設(shè)定的功能。當(dāng)同樣的電平持續(xù)5位則添加一個位的反型數(shù)據(jù)位：

圖20 位填充示意(引自[4])

注意：位填充作用范圍為SOF-CRC段機(jī)間的數(shù)據(jù)。

2）錯誤類型

引自[4]

圖21 CRC匹配示意(引自[6])

圖22 CRC錯誤(引自[6])

針對上述位錯誤再做說明（引自[3]）：所謂“發(fā)出的電平與從總線上回讀的電平不一致”，指的就是節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)出隱性位，卻從總線上回讀到顯性位或者節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)出顯性位，卻從總線上回讀到隱性位這兩種情況。有三種例外情況不屬于位錯誤：在仲裁區(qū)，節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送隱性位卻回讀到顯性位，不認(rèn)為是位錯誤，這種情況表示該節(jié)點(diǎn)仲裁失?。辉贏CK槽，節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送隱性位卻回讀到顯性位，不認(rèn)為是位錯誤，這種情況表示，該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前發(fā)送的這一幀報文至少被一個其它節(jié)點(diǎn)正確接收；一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送被動錯誤標(biāo)志，該節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送連續(xù)六個隱性位（被動錯誤標(biāo)志）卻回讀到顯性位，不認(rèn)為是位錯誤。因為被動錯誤標(biāo)志是六個連續(xù)的隱性位，所以在總線上按照線與機(jī)制，有可能這六個連續(xù)隱性位被其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的顯性電平覆蓋。

3）錯誤處理

錯誤狀態(tài)的種類有：主動錯誤狀態(tài)，被動錯誤狀態(tài)和總線關(guān)閉態(tài)3種狀態(tài)。單元始終處于3種狀態(tài)之一。

（1）主動錯誤狀態(tài)：可以正常參加總線通信的狀態(tài)，處于主動錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時，輸出主動錯誤標(biāo)志。

（2）被動錯誤狀態(tài)：是易引起錯誤的狀態(tài)。處于被動錯誤狀態(tài)的單元雖能參加總線通信，但為不妨礙其他單元通信，接收時不能積極地發(fā)送錯誤通知；處于被動錯誤狀態(tài)的單元即使檢測出錯誤，而其它處于主動錯誤狀態(tài)的單元如果沒發(fā)現(xiàn)錯誤，整個總線也被認(rèn)為是沒有錯誤的。處于被動錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時，輸出被動錯誤標(biāo)志。另外，處于被動錯誤狀態(tài)的單元在不能馬上再次開始發(fā)送。在開始下次發(fā)送前，在間隔幀期間內(nèi)必須插入“延遲傳送”（8個位的隱性位）。

（3）總線關(guān)閉態(tài)是不能參加總線上通信的狀態(tài)。信息的接收和發(fā)送均被禁止。

以上這些狀態(tài)依靠發(fā)送錯誤計算和接收錯誤計數(shù)來管理，根據(jù)計數(shù)值決定進(jìn)入何種狀態(tài)。錯誤狀態(tài)和計數(shù)值的關(guān)系如下表：

?

圖23 單元的錯誤狀態(tài)(引自[4])

發(fā)送錯誤計數(shù)值和接收錯誤計數(shù)值根據(jù)一定的條件發(fā)送變化。錯誤計數(shù)值的變動條件如下表，一次數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送可能同時滿足多個條件。錯誤計數(shù)器在錯誤標(biāo)志的第一個位出現(xiàn)的時間點(diǎn)上開始計數(shù)。

引自[4]

4）錯誤幀發(fā)送

檢查到錯誤后，什么時候發(fā)送錯誤幀呢？按照CAN協(xié)議的規(guī)定：

位錯誤、填充錯誤、格式錯誤、ACK錯誤。在錯誤產(chǎn)生的那一位的下一位開始發(fā)送錯誤幀。

CRC錯誤。緊隨ACK界定符后的位發(fā)送錯誤幀。

具體來看一個例子：

圖24 錯誤幀(引自[3])

1）發(fā)送節(jié)點(diǎn)Node_A發(fā)送一個顯性位，但是卻從總線上聽到一個隱形位，于是Node_A節(jié)點(diǎn)就會檢測到一個位錯誤；

2）Node_A檢測到位錯誤之后，立即在下一位開始發(fā)送主動錯誤幀：6個連續(xù)顯性位的主動錯誤標(biāo)志+8個連續(xù)隱性位的錯誤界定符；

3）對應(yīng)Node_A發(fā)出的主動錯誤標(biāo)志，總線上電平為6個連續(xù)顯性位；

4）接收節(jié)點(diǎn)Node_B和Node_C從總線上聽到連續(xù)6個顯性位，那么就會檢測到一個填充錯誤，于是這兩個節(jié)點(diǎn)都會發(fā)送主動錯誤幀；

5）對應(yīng)Node_B和Node_C發(fā)出的主動錯誤標(biāo)志，總線電平又有6個連續(xù)顯性電平，對應(yīng)Node_B和Node_C發(fā)出的錯誤界定符，總線電平有8個連續(xù)的隱性電平。

6）在間歇場之后，Node_A節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送剛剛出錯的報文。

在了解了錯誤幀的發(fā)送后，回到之前提到錯誤標(biāo)志重疊部分是怎樣形成的，再看一個例子：

圖25 (引自[3])

在這個例子，我們知道位錯誤的錯誤標(biāo)志與填充錯誤的錯誤標(biāo)志重疊2位，剩下部分還有4位：

引自[4]

3.3 過載幀

過載幀是用于接收單元通知其尚未完成接收準(zhǔn)備的幀。過載幀由過載標(biāo)志（6個位的顯性位）和過載界定符(8個位的隱性位)構(gòu)成。過載界定符的構(gòu)成與錯誤界定符的構(gòu)成相同。過載幀的構(gòu)成如下圖所示。

引自[4]

對于過載幀的幀結(jié)構(gòu)我們可以這樣理解：接收節(jié)點(diǎn)達(dá)到接收極限時，就會發(fā)出過載幀到總線上，顯然，過載標(biāo)志的6個連續(xù)顯性位會屏蔽掉總線上其它節(jié)點(diǎn)的發(fā)送，也就是說這個時候的接收節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送過載幀的方式來破壞其它節(jié)點(diǎn)的發(fā)送，這樣在接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送過載幀期間，其它節(jié)點(diǎn)就不能成功發(fā)送報文，于是就相當(dāng)于把其它節(jié)點(diǎn)的發(fā)送推遲了，也就是說接收節(jié)點(diǎn)在其發(fā)送過載幀的這段時間得以“休息”。

有3種情況會引起過載幀：

接收節(jié)點(diǎn)自身原因。接收節(jié)點(diǎn)由于某種原因需要延遲接收下一個數(shù)據(jù)幀或者遙控幀。

在幀間隔的間歇段的第一位和第二位檢測到一個顯性位（正常的間歇段都是隱性位）。幀間隔的間隔段本應(yīng)是三個連續(xù)的隱性位，如果接收節(jié)點(diǎn)在間隔段檢測到顯性位，那么就意味著此時有報文發(fā)向接收節(jié)點(diǎn)，但這個時候是不應(yīng)該有報文發(fā)來的，于是接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送過載幀。

CAN節(jié)點(diǎn)在錯誤界定符或過載界定符的第八位(最后一位)聽到一個顯性位0，節(jié)點(diǎn)會發(fā)送一個過載幀，且錯誤計數(shù)器不會增加。接收節(jié)點(diǎn)在錯誤界定符和過載界定符的最后一位聽到顯性位，也意味著有報文發(fā)向接收節(jié)點(diǎn)，但這個時候是不應(yīng)該有報文發(fā)來的，于是接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送過載幀。

3.4 幀間隔

幀間隔是用于分隔數(shù)據(jù)幀和遙控幀的幀。數(shù)據(jù)幀和遙控幀可通過插入幀間隔將本幀與前面的任何幀（數(shù)據(jù)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隔。

引自[4]

針對上圖，間隔為3個位的隱性位；總線空閑為隱性電平，無長度限制（0亦可）；延遲傳送為8個位的隱性位，只在處于被動錯誤狀態(tài)的單元剛發(fā)送一個消息后的幀間隔中包含的段。這里為什么需要延遲傳送段呢？

首先，考慮主動錯誤狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)A，發(fā)送主動錯誤標(biāo)志之后，隨之就要重新發(fā)送剛剛發(fā)送失敗的報文，但是為了間隔開與前面剛剛發(fā)送的錯誤幀，總線在錯誤幀之后就會插入３個隱形位的幀間隔，在這３個隱形位期間，其它的節(jié)點(diǎn)不足以判定總線空閑（需要連續(xù)11個隱性位才能判定），所以節(jié)點(diǎn)A仍然占據(jù)著總線的控制權(quán)，于是在幀間隔之后，節(jié)點(diǎn)A能夠接著發(fā)送報文?，F(xiàn)在節(jié)點(diǎn)A轉(zhuǎn)入到被動錯誤狀態(tài)了，說明它已經(jīng)不是很可靠了，這個時候如果沒有延遲傳送段，在節(jié)點(diǎn)A發(fā)出被動錯誤標(biāo)志之后，它仍然能夠在3位的幀間隔之后立即重新發(fā)送報文，這是不符合我們對被動錯誤狀態(tài)的處理要求的當(dāng)然也是不符合CAN協(xié)議的，于是乎對于發(fā)送出被動錯誤標(biāo)志的節(jié)點(diǎn)，總線在幀間隔中加入了８個連續(xù)隱性位的延遲傳送段，這樣的3+8=11個連續(xù)隱性位。就能讓節(jié)點(diǎn)A在這個幀間隔期間失去對總線的控制權(quán)，從而優(yōu)先保證其它正常(處于主動錯誤狀態(tài))節(jié)點(diǎn)能夠使用總線，而不必等著一個已經(jīng)不可靠的節(jié)點(diǎn)A占據(jù)總線。

到此CAN協(xié)議幀結(jié)構(gòu)就基本介紹完了，下面綜上所述來分析下具體的總線仲裁：

第4部分 總線仲裁

基于上節(jié)的仲裁段和控制段，這里主要考慮幾種情況的仲裁：假設(shè)一條CAN總線上有兩個節(jié)點(diǎn)Node_A和Node_B。在總線空閑時，總線上為隱性電平，就在這個時候Node_A 和 Node_B 這兩個節(jié)點(diǎn)同時向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，如下圖，其中，Tx表示發(fā)送，Rx表示接收，也就是說每個節(jié)點(diǎn)都有發(fā)送與接收。

當(dāng)作為發(fā)送方的節(jié)點(diǎn)會去接收自己發(fā)送的內(nèi)容進(jìn)行檢查，即回讀機(jī)制（節(jié)點(diǎn)在向總線上發(fā)送報文的過程中，同時也對總線上的二進(jìn)制位進(jìn)行“回讀”，對比該節(jié)點(diǎn)發(fā)出的二進(jìn)制位與總線上當(dāng)前的二進(jìn)制位是否一致，就可節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)是否被正確接收。)

圖26 仲裁過程(引自[3])

情況1：仲裁在前11位ID就結(jié)束 ，如上圖。

從D28-D18，采用線與機(jī)制，逐位進(jìn)行比較，一旦某位出現(xiàn)不同，上圖的ID25，則顯性位覆蓋隱性位，仲裁結(jié)束，顯性位的對應(yīng)節(jié)點(diǎn)勝出，上圖的Node_A。

情況2：仲裁在前11位ID未結(jié)束，即說明前11位ID相同

在這種情況下，我們就需要回顧一下前面的一個表：

根據(jù)這個表，我們可以進(jìn)一步分為4種情況：

標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀與遙控幀，看RTR位，數(shù)據(jù)幀的RTR位恒為顯性，遙控幀的RTR位恒為隱性。故前11位ID號相同時，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級高于標(biāo)準(zhǔn)遙控幀。

擴(kuò)展格式的數(shù)據(jù)幀與遙控幀，在前11位ID和后18位ID全相同的情況，與上條一致。

數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式與擴(kuò)展格式，比較標(biāo)準(zhǔn)格式的RTR位與擴(kuò)展格式的SRR位，標(biāo)準(zhǔn)格式的RTR位恒為顯性，擴(kuò)展格式的SRR位恒為隱性。故前11位ID號相同時，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級高于擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀。

遙控幀的標(biāo)準(zhǔn)格式與擴(kuò)展格式，看IDE位，擴(kuò)展格式的IDE位恒為隱性，標(biāo)準(zhǔn)格式的IDE位在控制段，恒為顯性。故前11位ID號相同時，標(biāo)準(zhǔn)遙控幀優(yōu)先級高于擴(kuò)展遙控幀。

通過上述分析，我們可以知道在前11位ID號相同時，根據(jù)協(xié)議設(shè)定的RTR, SRR, IDE，就可以保證如下：

RTR：保證數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級高于遙控幀；

SRR ：保證標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級高于擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀；

IDE ：保證標(biāo)準(zhǔn)遙控幀的優(yōu)先級高于擴(kuò)展遙控幀。

第5部分 報文過濾

在CAN總線中沒有地址的概念，CAN總線是通過報文ID來實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)的。CAN節(jié)點(diǎn)上都會有一個驗收濾波ID表，其位于CAN節(jié)點(diǎn)的驗收濾波器中，如果總線上的報文的ID號在某個節(jié)點(diǎn)的驗收濾波ID表中，那么這一幀報文就能通過該節(jié)點(diǎn)驗收濾波器的驗收，該節(jié)點(diǎn)就會接收這一幀報文。假設(shè)有設(shè)置：

可看報文過濾過程如下圖示意：

圖27 報文發(fā)送到接收的過程

關(guān)于報文過濾具體如何實(shí)現(xiàn)，后續(xù)將會寫相關(guān)文章。

第6部分 數(shù)據(jù)傳輸同步

6.1 位速率概念

位速率（也叫做比特率）表示的是單位時間內(nèi)，總線上傳輸?shù)男畔⒘?，即每秒能夠傳輸?shù)亩M(jìn)制位的數(shù)量，R=1/T ，單位是bit per second。比如比特率為8bit/s，意思為一秒傳輸了8bit，包含了8個二進(jìn)制事件的信息量。注意位速率與波特率不是同一概念。

摘自：zhuanlan.zhihu.com/p/10?實(shí)際傳輸中，傳輸速率以每秒發(fā)送的符號（baud）數(shù)量進(jìn)行計算，即波特率。?當(dāng)一個符號只包含兩種可能，即一個事件兩種可能，那么此時1baud=1bit。此時波特率等于比特率。一個符號也有可能包含多個可能，例2中，一個符號中包含四個電平，那么接受端的一個事件，有了abcd四種可能，那么1baud=2bit。此時波特率為比特率的兩倍。

6.2 位時序

第3部分講到幀結(jié)構(gòu)，我們知道每一幀數(shù)據(jù)（即一個完整的數(shù)據(jù)幀）有很多位組成，當(dāng)發(fā)送方發(fā)送一幀數(shù)據(jù)到總線時，接收方怎么準(zhǔn)確接收到這幀數(shù)據(jù)呢？實(shí)際采用逐位逐位地接收數(shù)據(jù)。

引自[3]

具體來說，將一個位分為4段，如上圖所示。這些段又由可稱為Time Quantum(以下稱為Tq)的最小時間單位構(gòu)成。1位分為4個段，每個段又由若干個Tq構(gòu)成，這稱為位時序。1位由多少個Tq構(gòu)成，每個段又由多少個Tq構(gòu)成等，可以任意設(shè)定位時序。通過設(shè)定位時序，多個單元可同時采樣，也可任意設(shè)定采樣點(diǎn)。各段的作用和Tq數(shù)如下表：

引自[4]

所謂采樣點(diǎn)是讀取總線電平，并將讀到的電平作為位值的點(diǎn)，位置在PBS1結(jié)束處。

CAN協(xié)議的通信方法為NRZ方式，各個位的開頭或者結(jié)尾都沒有附加同步信號。發(fā)送單元以與位時序同步的方式開始發(fā)送數(shù)據(jù)。另外，接收單元根據(jù)總線上電平的變化進(jìn)行同步并進(jìn)行接收工作。但是，發(fā)送單元和接收單元存在的時鐘頻率誤差及傳輸路徑上的（電纜/驅(qū)動器等）相位延遲會引起同步偏差，因此接收單元通過硬件同步或者再同步的方法調(diào)整時序進(jìn)行接收。

6.3 硬同步

在總線空閑狀態(tài)，接收節(jié)點(diǎn)檢測出幀起始（SOF位）時，會調(diào)整當(dāng)前位的同步段，調(diào)整寬度不限。如下圖假設(shè)這時檢測的時SOF位。

那么硬同步簡單說就是接收節(jié)點(diǎn)直接與發(fā)送節(jié)點(diǎn)同步(真有硬的味道)，如下：

引自[3]

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具體解釋引自[3]:
1）發(fā)送節(jié)點(diǎn)Node_A在發(fā)送SOF位時，SOF位的下降沿在SS段；
2）這個時候接收節(jié)點(diǎn)Node_B發(fā)現(xiàn)自己當(dāng)前位的SS段和發(fā)送節(jié)點(diǎn)SOF位的SS段不同步。也就是說當(dāng)Node_A
產(chǎn)生SOF位SS段時，Node_B的當(dāng)前位的SS段已經(jīng)在5個Tq之前產(chǎn)生了；
3）于是接收節(jié)點(diǎn)Node_B強(qiáng)行將自己當(dāng)前位的SS段拉到與SOF位的SS段同步。

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6.4 再同步

接收節(jié)點(diǎn)檢測出除SOF位以外的其他位時，進(jìn)行的同步調(diào)整。重同步會通過加長PSB1段，或縮短PBS2段來調(diào)整同步，以保證采樣點(diǎn)的準(zhǔn)確。

對于再同步，需一個概念SJW（同步跳轉(zhuǎn)寬度），是指PSB1和PSB2再同步時允許跳轉(zhuǎn)的最大寬度，其必須滿足以下2個條件：

SJW必須小于PBS1和PBS2的最小值；

SJW最大值不能超過4。

下面看一下再同步的兩種情況：

情況1：PSB1段加長（發(fā)的晚，收的早）

引自[3]

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具體解釋引自[3]:
1）發(fā)送節(jié)點(diǎn)Node_A比接收節(jié)點(diǎn)Node_B的時間慢了，也就是說Node_A當(dāng)前位的ss段產(chǎn)生的時候，Node_B 
當(dāng)前位的ss段已經(jīng)在2個Tq之前產(chǎn)生了；
2）所以這個時候接收節(jié)點(diǎn)Node_B就將PBS1延長2個Tq的時間；
3）于是這個時候Node_A當(dāng)前位的采樣點(diǎn)就和Node_B的采樣點(diǎn)同步了。

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情況2：PSB2段縮短（發(fā)的早，收的晚）

引自[3]

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具體解釋引自[3]:
1）發(fā)送節(jié)點(diǎn)Node_A當(dāng)前位的SS段誕生2Tq時長之后，接收節(jié)點(diǎn)Node_B的當(dāng)前位才產(chǎn)生SS段；
2）于是，接收節(jié)點(diǎn)Node_B當(dāng)前位的PBS2段縮短，
3）這樣就會導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)Node_B的下一位能夠提前2個Tq，從而Node_B的下一位采樣點(diǎn)和Node_A下一位
的采樣點(diǎn)能夠同步。

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6.5 調(diào)整同步的規(guī)則

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硬件同步和再同步遵從如下規(guī)則。
1) 1 個位中只進(jìn)行一次同步調(diào)整。
2) 只有當(dāng)上次采樣點(diǎn)的總線值和邊沿后的總線值不同時，該邊沿才能用于調(diào)整同步。
3) 在總線空閑且存在隱性電平到顯性電平的邊沿時，則一定要進(jìn)行硬件同步。
4) 在總線非空閑時檢測到的隱性電平到顯性電平的邊沿如果滿足條件（1）和（2），將進(jìn)行再同步。
但還要滿足下面條件。
5) 發(fā)送單元觀測到自身輸出的顯性電平有延遲時不進(jìn)行再同步。
6) 發(fā)送單元在幀起始到仲裁段有多個單元同時發(fā)送的情況下，對延遲邊沿不進(jìn)行再同步。

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第7部分 位時間實(shí)例

本部分將根據(jù)Infineon的芯片手冊對位時間如何計算和如何配置位時間的寄存器進(jìn)行說明。

假設(shè)我們有一條需求：設(shè)置CAN通訊的波特率為500KBaud。

7.1 計算

Infineon芯片手冊提供的CAN總線位時間標(biāo)準(zhǔn)格式定義如下圖，后面根據(jù)該定義進(jìn)行求解。

CAN總線位時間標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)：晶振時鐘周期頻率為40MHz，轉(zhuǎn)換為時間表示則為T=1/40MHz=25ns

NBT=16(即一個位有16個tq，time quantum)，

因為要設(shè)置的波特率為500KBaud，換算時間表示則為1/500KBaud =2000ns，即傳輸一個位的時間要2000ns。那意味著16個tq就等于2000ns，即tq=125ns。

又因為有：

所以：tq/T=125ns/25ns=5，因為BRP只能為整數(shù)，這時取DIV8=0, BRP=4。

我們已經(jīng)NBT=16，假設(shè)我們采樣點(diǎn)取在50%處，即有：

50%=Tseg2/NBT=[(TSEG2+1)tq]/16*tq=(TSEG2+1)/16

即有：TSEG2=7。

那么Tseg1= NBT-Tseg2-Tsync=7tq，所以TSEG1=6。

再根據(jù)下式計算SJW, 這里直接假設(shè)TSJW=3*tq能保證下式兩個不等式成立（不在此處展開Tprope的討論），那么SJW=2。

綜上有：DIV8=0, BRP=4，TSEG1=6，TSEG2=7，SJW=2。

7.2 寄存器配置

根據(jù)上節(jié)的計算結(jié)果進(jìn)行位時間寄存器的配置，關(guān)于該寄存器的內(nèi)容以及配置信息見下圖。

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位時間寄存器說明

經(jīng)過上述配置，我們成功設(shè)置了CAN通訊的波特率為500KBaud。

7.3 補(bǔ)充：傳輸延遲時間tPTS

CAN報文在CAN總線上的傳輸時，物理延遲包含兩個部分：

在CAN-BUS上傳輸造成的延遲

在節(jié)點(diǎn)上傳輸造成延遲

按照CAN通信協(xié)議的規(guī)定，補(bǔ)償給傳播延遲的時間長度要至少等于實(shí)際實(shí)際傳播延遲時長的2倍，即：tPTS≥2×tdel=2×(tdel+tBus)

注意：在CAN總線通信系統(tǒng)中是以時間量子Tq來度量時間的，所以如果延遲補(bǔ)償時間tPTS = 3.1Tq，那么這個時候要?。簍PTS = 4Tq。

編輯：黃飛

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