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嵌入式CAN总线知识大全之CAN接口器件与CAN协议应用
 
   
 
 
 
 
 
 
 
     
 
 
 
 
 
 
 
嵌入式的工程师一般都知道CAN总线广泛应用到汽车中，其实船舰电子设备通信也广泛使用CAN，随着国家对海防的越来越重视，对CAN的需求也会越来越大。这个暑假，通过参加苏州社会实践，去某船舶电气公司实习几周，也借此机会，学习了一下CAN总线。
▍概述
CAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域网，是一种能够实现分布式实时控制的串行通信网络。想到CAN就要想到德国的Bosch公司，因为CAN就是这个公司开发的（和Intel）CAN有很多优秀的特点，使得它能够被广泛的应用。比如：传输速度最高到1Mbps，通信距离最远到10km，无损位仲裁机制，多主结构。近些年来，CAN控制器价格越来越低，很多MCU也集成了CAN控制器。现在每一辆汽车上都装有CAN总线。一个典型的CAN应用场景：
▍CAN总线标准
CAN总线标准只规定了物理层和数据链路层，需要用户自定义应用层。不同的CAN标准仅物理层不同。
CAN收发器负责逻辑电平和物理信号之间的转换。将逻辑信号转换成物理信号（差分电平），或者将物理信号转换成逻辑电平。CAN标准有两个，即IOS11898和IOS11519，两者差分电平特性不同。高低电平幅度低，对应的传输速度快；*双绞线共模消除干扰，是因为电平同时变化，电压差不变。
物理层
CAN有三种接口器件多个节点连接，只要有一个为低电平，总线就为低电平，只有所有节点输出高电平时，才为高电平。所谓"线与"。CAN总线有5个连续相同位后，就插入一个相反位，产生跳变沿，用于同步。从而消除累积误差。和485、232一样，CAN的传输速度与距离成反比。CAN总线，终端电阻的接法：
为什么是120Ω，因为电缆的特性阻抗为120Ω，为了模拟无限远的传输线
数据链路层
CAN总线传输的是CAN帧，CAN的通信帧分成五种，分别为数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。数据帧用来节点之间收发数据，是使用最多的帧类型；远程帧用来接收节点向发送节点接收数据；错误帧是某节点发现帧错误时用来向其他节点通知的帧；过载帧是接收节点用来向发送节点告知自身接收能力的帧；用于将数据帧、远程帧与前面帧隔离的帧。数据帧根据仲裁段长度不同分为标准帧（）和扩展帧（）
帧起始
帧起始由一个显性位（低电平）组成，发送节点发送帧起始，其他节点同步于帧起始；帧结束由7个隐形位（高电平）组成。
仲裁段
CAN总线是如何解决多点竞争的问题？由仲裁段给出答案。CAN总线控制器在发送数据的同时监控总线电平，如果电平不同，则停止发送并做其他处理。如果该位位于仲裁段，则退出总线竞争；如果位于其他段，则产生错误事件。帧ID越小，优先级越高。由于数据帧的RTR位为显性电平，远程帧为隐性电平，所以帧格式和帧ID相同的情况下，数据帧优先于远程帧；由于标准帧的IDE位为显性电平，扩展帧的IDE位为隐形电平，对于前11位ID相同的标准帧和扩展帧，标准帧优先级比扩展帧高。
控制段
共6位，标准帧的控制段由扩展帧标志位IDE、保留位r0和数据长度代码DLC组成；扩展帧控制段则由IDE、r1、r0和DLC组成。
数据段
为0-8字节，短帧结构，实时性好，适合汽车和工控领域；
CRC段
CRC校验段由15位CRC值和CRC界定符组成。
ACK段
当接收节点接收到的帧起始到CRC段都没错误时，它将在ACK段发送一个显性电平，发送节点发送隐性电平，线与结果为显性电平。
远程帧
远程帧分为6个段，也分为标准帧和扩展帧，且RTR位为1（隐性电平）CAN是可靠性很高的总线，但是它也有五种错误。CRC错误：发送与接收的CRC值不同发生该错误；格式错误：帧格式不合法发生该错误；应答错误：发送节点在ACK阶段没有收到应答信息发生该错误；位发送错误：发送节点在发送信息时发现总线电平与发送电平不符发生该错误；位填充错误：通信线缆上违反通信规则时发生该错误。当发生这五种错误之一时，发送节点或接受节点将发送错误帧为防止某些节点自身出错而一直发送错误帧，干扰其他节点通信，
CAN协议规定了节点的3种状态及行为
过载帧
当某节点没有做好接收的"准备"时，将发送过载帧，以通知发送节点。
帧间隔
用来隔离数据帧、远程帧与他们前面的帧，错误帧和过载帧前面不加帧间隔。
构建CAN节点
构建节点，实现相应控制，由底向上分为四个部分：CAN节点电路、CAN控制器驱动、CAN应用层协议、CAN节点应用程序。虽然不同节点完成的功能不同，但是都有相同的硬件和软件结构。