CAN总线的特点、帧类型以及应用中的注意事项

1980 年，Bosch 的工程师开始研究汽车上高速串行通信的问题，并在 1986 年发布了 CAN（Controller Area Network）总线。CAN 以其多主，高速（最高 1Mbps），抗干扰的特性被广泛应用汽车及各种工业环境。在此我们主要介绍一下 CAN 总线的特点，帧类型，以及应用中的注意事项。
 
1．CAN 总线特点

1．1 多主控制

跟我们常用的 RS485 只有一个主机，从机只能等待主机的轮询不同，在 CAN 总线中，当任意一个节点监测到总线空闲时，就可以立即启动信息的发送，也就是每一个节点都可以当主机。当然，这马上会引起我们的担心。如同一个家庭每个人都当家做主，那还不乱了套吗？不急，我们来看一下。这个问题是如何被巧妙地解决的。
 
物理层，CAN 采用差分总线。单片机引脚的逻辑电平 0，被 CAN 收发器（PHY）转换为显性电平（Dominant），逻辑电平 1 被转换为隐性电平（Reccesive）。总线上执行的是“线与”逻辑，只要有一个节点输出显性电平，那么总线上就是显性电平。

仲裁（Arbitration），CAN 的发送总是以 SOF（Start Of Frame）起始，紧跟器后是 ID。在发送 ID 的同时，节点监听总线上的显隐状态，当监听到的状态与自己发送的不一致时，此节点将停止发送，进入只收模式。如下图所示，每一帧消息所具有的 ID 决定了此消息的优先级，发送最高优先级消息的节点获得总线最后的控制权，得以最终完整的发送自己的消息。

接收滤波（Filter）。一个挂在总线上的节点可以监听到所有的消息（Message），但通常我们只对其中某些消息感兴趣，这时怎么办呢？CAN 模块一般会提供接收滤波功能（Filter）。通过设置滤波寄存器，我们可以达到接收消息时，比对 ID 所有位，也可以只比对 ID 某些位，从而达到只接收 ID 与自己完全相同的消息，或接收 ID 与自己部分相同的消息的目的。利用这种机制可以给节点编组，给组成员群发消息。
 
1．2 速度快，距离远

CAN 总线可以达到 1Mbps 的速率。总线速度随着传输距离增加而下降，下面是一些典型速率。在一个数据帧内可以传送 8 个字节的数据。
 
1000kbps 40m
500kbps  130m
100kbps  620m
50kbps   1300m
5kbps    10000m
 
2012 年，Bosch 又发布了 CANFD（CAN with Flexible Data－rate），最高速率可以达到 10Mbps，在一个数据帧内可以传送 64 字节的数据。2015 年 ，国际标准化组织（ISO）正式发布支持 CAN FD 的 11898－1 协议。
 
2．帧类型

CAN 协议很简洁，只包含 4 种帧类型。
 
数据帧（Data Frame），用来把数据从发送节点传送至接收节点。
 
远程帧（Remote Frame），一个节点用来请求其它节点发送数据。一个节点发送远程帧时会把 Arbitration Filed 最后一位 RTR（置 1），具有相同 ID 的节点会把数据发送到总线上。
 
错误帧（Error Frame），当一个节点检测到错误时会向总线发出错误帧，以通知其它节点。
 
过载帧（Overload Frame），用来在数据帧或远程帧之间插入延时。
 
帧间隔（Interframe Space），不是一种帧类型。它是帧之间的间隙，由多个连续的隐性电平构成。
 
在编程时我们直接用到的就是数据帧和远程帧。软件编程比较简单，需要注意的是一般需要设置寄存器中的初始化请求位（Initialization request），使模块进入初始化状态，才能开始进行 CAN 模块的各种配置，初始化完成后退出初始化状态，进入运行状态。
 
3．CAN 总线应用注意事项

3．1 终端匹配电阻

在 CAN 总线的两端要用 120 欧的电阻端接进行阻抗匹配，因为 CAN 总线长度一般会比较长，传输的信号速度快，特别是信号的边沿跳变部分频率很高。

传输线效应 平常我们总是认为电信号从一个引脚发出，通过导线，瞬间就会到达接收引脚，导线上的电压处处是相等的。但是当信号的频率很高，或者导线特别长，总之导线的长度接近传导信号波长的 1／10 后，我们就需要转变一下我们的观念，此时信号的传输主要受电缆特性阻抗的影响。
 
电缆特性阻抗 ＝ 信号电场强度（伏特／米） ／ 磁场强度（安培／米）
 
电缆的特性阻抗与电缆的材质，粗细，线缆之间的距离有关，而与电缆的长度无关。电缆的特性阻抗还和信号的频率有关，但是当频率增加到一定数值时，特性阻抗不再变化。常用的带屏蔽双绞线的特性阻抗是 120 欧。
 
信号在阻抗不连续处会产生反射，所以要保持电缆阻抗的连续性，而且线缆终点需要用等于电缆特性阻抗的电阻进行端接，以消耗掉传输至端点的信号，否则信号会反射回去和后续发出的信号产生叠加，引起错误。
 
频率与波长对应关系
150K  2000m
500K   600m
1M     300m
10M     30m
 
端接电阻的另一个作用是可以使 CAN 总线从显性状态快速回到隐性状态。因为在显性状态下，两条线缆 CAN＿H， CAN＿L 之间的寄生电容会被充电，如果没有一个放电回路，总线不能快速回到隐性状态。
 
3．2 EMC 防护

CAN 常常工作在强干扰的工业环境中，采用屏蔽双绞线会极大的提升 EMC 防护性能。同时如果数字电路部分和 CAN 收发器之间用高速光耦隔离开，并且对两部分采用完全隔离的电源供电，那么可以把总线上的干扰最大限度地隔离在外部。

需要注意的是屏蔽层只能在一点接入大地。如果在多个点接地，那么通过大地会形成电流环路，反而会引入噪声。
 
3．3 时钟容差（Oscillator Tolerance）

总线的速度越高，需要的时钟精度越高。一般在低于 125kpbs 时可以用低成本的陶瓷震荡器（ceramic resonators），更高的速度下建议使用晶体振荡器（Quartz，or Crystal Oscilators）。
 
3．4 CAN 模块死机现象

CAN 模块内部有监控电路，总线上的异常，如短路等，会引起错误计数器增长。TEC（Transmit Error Counter）， REC（Receive Error Counter）。当发送错误 TEC 计数超过 255 后，CAN 模块进入 BUS－OFF 模式，此节点不能发送也不能接收。这样做的好处是可以避免由个别模块的问题引起整个总线不能工作。
 
芯片一般会提供两种恢复机制：自动和手动模式。比如在 STM32 单片机中，如果 ABOM 位设置为 1，CAN 模块将不断尝试自动恢复。如果 ABOM＝0，则需要程序进入 CAN 初始化模式，重新配置后，再退出初始化进入正常工作模式。
 
由于 CAN 总线非常可靠，不易出错，所以在测试阶段建议人为制造一些总线错误，比如短路，断路，强干扰之类，看程序是否能从异常状态下恢复。