通讯协议

CAN总线协议

1、CAN总线概述

CAN 总线（控制器局域网总线）是一种通信协议，最初由 Robert Bosch GmbH 在 1980 年代开发，主要用于减少汽车中电气布线的复杂性和成本。它允许多个电子控制单元（ECU）通过两根扭绞线（CAN 高和 CAN 低）进行高效通信，类似于人体神经系统连接不同部位。

CAN总线特征：

• 两根通信线：CAN_H、CAN_L，线路少，无需接地。

• 差分信号通信、抗干扰能力强

• 高速CAN（ISO11898）：125K-1Mbps，《40米

• 低速CAN（ISO11519）：10K-125kbps，《1KM

• 11位/29位报文ID（标识符），用于区分消息功能，同时决定优先级，进行仲裁

• 配置1-8字节的有效载荷，可以灵活的选择发送数据的字节数

• 可以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

• 协议为：串行、半双工、异步。

2、工作原理

CAN总线使用差分信号传输数据，就是通过测量两根线两端的电压差来传输信息。这种方式可以抵抗电磁干扰。

• 物理层：由CAN高（通常为黄色），和CAN低（通常为绿色）组成，支持速率40kbit/s至1Mbit/s。
• 数据链路层：消息以数据帧的形式进行传输，每个帧包括起始位、标识符（11或29位）、数据字段（最多8字节，CAN FD可达64字节）、循环冗余校验（CRC）和结束位。
• 仲裁机制：如果多个节点发送消息，则根据标识符的优先级进行判断，优先级高的继续发送，优先级低的转为接收。

3、CAN总线的硬件电路

• 每个设备通过CAN接收器挂载在CAN总线网络上。
• CAN控制器引出的TX和RX与CAN总线的收发器相连，CAN收发器引出的CAN_H和CAN_L和TX、RX。
• 高速CAN使用闭环网络，CAN_H和CAN_L两端添加120欧的终端电阻
  
  • 终端电阻的作用：
    • 防止信号反射
      • 不加，在电平变换时，会产生振荡信号，使产生干扰。
      • 加上后，电平变换平稳。
    • 这个电阻和IIC的上拉电阻类似。当成一个弹簧，当输出0时，拉开弹簧；输出1时，松开。在电路中就是当输出1，就不去触碰CAN总线。
• 低速CAN使用开环网络，CAN_H和CAN_L其中一端调价2.2k欧的终端电阻，另一端悬空。
  

4、CAN电平标准

• CAN总线采用差分信号，即两线电压差代表传输的数据位。
• 高速CAN规定：
  • 电压差为0V时，代表逻辑1（隐性电平）
  • 电压差为2V时，代表逻辑0（显性电平）
  • 总线回归隐形电平快，传输速度就快。
• 低速CAN规定：
  • 电压差为-1.5V时，代表逻辑1（隐形电平）
  • 电压差为3V时，代表逻辑0（显性电平）
  • 逻辑0和1的差别大的原因是：
    • 传输距离远，干扰就越多。
    • 当逻辑0和1差别大时，就可以更好的判断逻辑0还是逻辑1.
  • 总线回归隐形电平慢，传输速度就慢。
• 

5、CAN收发器-TJA1050（高速CAN）

• 右上角是收发器的引脚图
  • 总共8根线
    • TXD连接主控芯片的CAN控制器RXD。
    • RXD连接主控芯片的CAN控制器TXD
    • VCC和GND提供5V的供电
    • CAN_H和CAN_L和CAN总线连接。
    • Vref：参考电压输出（可以不用）
    • s:高速模式或者静默模式。（可以不用）
• 左边是芯片内部的结构：
  • 左边CAN_H和CAN_L和CAN总线相连。
  • 中间三角型：时刻检测CAN总线的电压差。
  • RXD接收数据：
    • 当CAN_H和CAN_L没有电压差时，输出到三角型为0.
    • 再经过左边两个场效应管的输出驱动器，当0过来时，上面导通，下面闭合，输出1.
    • 当CAN_H和CAN_L有电压差时，输出到三角型为1.
    • 再经过左边两个场效应管的输出驱动器，当1过来时，上面闭合，下面导通，输出0.
    • 有一个电平反转的作用。
  • TXD发送数据：
    • 当TXD想发送1时，后面的驱动器（DRIVER）会让后面两个场效应管断开，不去连接CAN总线。总线在外部终端电阻的作用下收紧，呈现默认的隐形电平。
    • 当TXD发送0时，后面的驱动器（DRIVER）会让后面两个场效应管打开，让其一端接VCC，一端接GND，呈现显性电平0的状态。
• 物理层特性
  

6、CAN总线帧格式

CAN协议规定的5种类型的帧：

• 数据帧
  • 发送设备主动发送数据（广播式）
    
  • 帧起始（SOF）
    • 要以显性0为开头。打破一帧空闲，开始传输数据。
  • 仲裁段（）
    • 报文ID
      • 紫色代表即可是显性0，也可是隐形1.
      • 报文ID可以用于后面数据的信息，告诉接收方是干什么用的。
      • 还可以用于仲裁。
      • ID小的继续发送，大的停止发送。
    • RTR：
      • 占据一位。
      • 作用：远程请求位。用于区分数据帧还是遥控帧。
      • 在数据帧中，必须为显性0.
    • RTR在仲裁段的作用不止区分数据帧和遥控帧。还可以当数据帧和遥控帧的ID相同时数据帧的优先级大于遥控帧。
  • 控制段
    • IDE：
      • ID扩展标志位。
      • 用于区分标准格式，还是扩展模式。
        • 标准格式：固定显性0
        • 扩展模式：固定隐性1
    • r0：
      • 保留位
      • 必须为显性0.
      • 暂时不用
    • DLC：
      • 表示数据段的长度。
    • Data：
      • 数据段就是有效的载荷的数据。
  • CRC段
    • 校验算法。
    • CRC界定符：
      • 必须为隐性电平1.
  • ACK段
    • ACK槽：
      • 应答作用
    • ACK界定符：
      • 必须为隐性电平1.
  • 帧结束
• 遥控帧
  • 接收设备主动请求数据（请求式）
    
  • 遥控帧无数据段，RTR为隐性电平1，其他部分和数据帧相同。
• 错误帧
  • 某给设备检测出错误时向其他设备通知错误
    
  • 总线上所有设备都会监督总线上的数据，一旦发现位错误或者填充错误后者CRC校验错误或者格式错误或者应答错误，这些设备就会发送错误帧，破坏数据，同时终止当前发送设备。
• 过载帧
  • 接收设备通知其未做接收准备
    
  • 当接收方收到大量数据而无法处理时，其可以发送过载帧，延缓发送放的数据发送，用于平衡总线的负载，避免数据丢失。
• 帧间隔
  • 用于将数据帧及遥控帧与前面的帧进行分离
    

位填充：

• 在发送数据帧之前，要进行位填充。
• 填充规则：
  • 发送方每发送5个相同电平后，自动追加一个相反的电平的填充位，接收方检测到填充位时，会自动移除填充位，恢复原数据。
• 填充的作用：
  • 增加波形的定时信息，利于接收方执行”再同步”，防止波形长时间无变化，导致接收方不能精确的掌握数据采样的时机。
  • 将正常的数据与“错误帧“和过载帧区分开，标志着错误帧和过载帧的特性。
  • 保持CAN总线再发送正常数据流时的活跃状态，防止被误认为总线空闲。

波形示例

• 标准数据帧：
  
• 扩展数据帧：
  
• 标准遥控帧：
  

接收方数据采样

• CAN总线上没有时钟线，总线上所有设备通过约定波特率的方式确定每一个数据位的时长。
• 发送方以约定的位时长每隔固定时间输出一个数据位
• 接受方以约定的位时长每隔固定的时间采样总线上的电平，输入一个数据位
• 理想状态下，接收方能依次采样到发送方发出每个数据位，且采样点位于数据位的中心附近。

位时序

• 为了灵活的调整每个采样点的位置，使采样点对齐数据位中心附近、CAN总线对每一个数据位的时长进行了更细的划分，分为同步段（ss）、传播时间段（PTS）、香味缓冲段（PBS1）、相位缓冲段2（PBS2），每个段都有若干个最小时间单位（TQ）构成。
• ss=1Tq
  • 同步段是电平发生变换的期间，在ss范围内，则代表数据位同步是正确的。
• PTS=1-8Tq
  • 传播时间段是给数据传输一点时间，在电平变化后，传输过程需要时间才能传输到位。
• PBS1=1-8Tq
  • PBS1和PBS2的中间位置是采样位置。调整两个的时间，可以稍微的改变采样点的位置在前，还是在后。
• PBS2=2-8Tq

硬同步

• 每个设备都有一个位时序计时周期，当某个设备（发送方）率先发送报文（ID），其他设备（接收方）收到SOF（帧起始）的下降沿时，接收方会将自己的位时序计时周期拨到SS段的位置，与发送方的位时序计时周期保持同步。
• 硬同步只在帧的第一个下降沿（SOF下降沿）有效。
• 经过硬同步后，若发送方和接收方的时钟没有误差，则后续的所有数据位的采样点都是在数据中心附近。
• 

再同步

• 若发送方或者接收方的时钟存在误差，随着数据的发送，误差会越来越大，数据位的边沿逐渐偏移SS段，则此时接收方根据再同步补偿宽度值（SJW）通过加长PBS1段，或者缩短PBS2段，以调整同步。
• 再同步可以发生咋i第一个下降沿之后的每一个数据位跳变边沿。

7、仲裁

• CAN总线只有一对差分信号线，同时间只能有一个设备操作总线发送数据。

• 资源分配规则：

  • 先占先得：

    • 若当前已经有设备发送数据帧或遥控帧，则其他设备就不能在同步发送数据帧或者遥控帧，但是可以发送错误帧或者过载帧破坏当前数据。
    • 任何设备检测到连续的11个隐性电平（逻辑1），即认为总线空闲，只有在总线空闲时，设备才能发送数据帧和遥控帧。
    • 一旦有设备正在发送数据帧或者遥控帧，总线就会变为活跃状态，必然不会出现连续的11隐性电平，其他设备也不会破坏当前发送。
    • 若总线活跃时，其他设备有发送需求，则需要等待总线空闲，才能执行发送请求。

  • 非破坏式仲裁

    • 若多个设备的发送需求同时到来，或者等待上一个结束而同时到来，则CAN总线协议会根据ID号（仲裁段）惊醒非破坏式仲裁，ID小的优先级高，ID小的先得到总线的控制权，而ID大的继续等待。

    • 实现非破坏是仲裁的两个要求；

      • 线与特性：总线上任何一个设备发送显性电平0时，总线呈现显性电平0状态，只有当所有设备都发送隐性电平时，总线才会呈现隐性电平1状态。

        即：0 & 任何 = 0；1 & 1& 1=1.

      • 回读机制：每个设备发送一个数据位后，都会读回总线当前的电平状态，以确定自己发送出去的电平是否真的发送出去了。根据线与特性，发送0，则读回0，发哦是那个1，则读回不一定是1。

UART

I2C

SPI