先簡單的說一下概念定義

CAN總線 ：CAN 是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為 CAN），是 ISO1 國際標(biāo)準化的串行通信協(xié)議。
在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。為適應(yīng) “減少線束的數(shù)量” 、“通過多個 LAN，進行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的 CAN 通信協(xié)議。此后，CAN 通過 ISO11898 及 ISO11519 進行了標(biāo)準化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準協(xié)議。

應(yīng)用：

現(xiàn)在，CAN 的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。

CAN的實現(xiàn)原理

CAN 控制器根據(jù)兩根線上的電位差來判斷總線電平。總線電平分為顯性電平和隱性電平，二者必居其一。發(fā)送方通過使總線電平發(fā)生變化，將消息發(fā)送給接收方。
這個可能要引入一個概念 差分信號 ，至于顯性隱形這里大家可能暫時不要關(guān)心，但是如果你玩過單片機你應(yīng)該要猜到高低電平的概念，這個類似但不是，可以對比理解。

差分信號：

差分傳輸是一種信號傳輸?shù)募夹g(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的一根信號線一根地線的做法，差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號，這兩個信號的振幅相等，相位相差180度，極性相反。在這兩根線上傳輸?shù)男盘柧褪遣罘中盘枴?類比雙絞線理解吧)

通俗易懂的說就說：這種信號不是來自一條線，而是兩條線的差值才是我們需要的信號！

那么他的優(yōu)點就很好理解了，在一個環(huán)境中，如果受外界干擾，兩條線上的電平是同時發(fā)生變化的嘛，然后這種干擾絲毫是不影響兩個線的差值的，類似與等號的同加同減性。類似于3-1=2，我們干擾了比如說就相當(dāng)于削弱了0.5的信號，那結(jié)果（3-0.5）-（1-0.5）=2，結(jié)果也是一樣的。

接下來說一下CAN總線的特點：

1） 多主控制。 在總線空閑時，所有單元都可以發(fā)送消息（多主控制），而兩個以上的單元同時開始發(fā)送消息時，根據(jù)標(biāo)識符（Identifier 以下稱為 ID）決定優(yōu)先級。ID 并不是表示發(fā)送的目的地址，而是表示訪問總線的消息的優(yōu)先級。兩個以上的單元同時開始發(fā)送消息時，對各消息ID 的每個位進行逐個仲裁比較。仲裁獲勝（被判定為優(yōu)先級最高）的單元可繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失利的單元則立刻停止發(fā)送而進行接收工作。
2） 系統(tǒng)的柔軟性。 與總線相連的單元沒有類似于“地址”的信息。因此在總線上增加單元時，連接在總線上的其它單元的軟硬件及應(yīng)用層都不需要改變。
3） 通信速度較快 ，通信距離遠。最高1Mbps（距離小于40M），最遠可達10KM（速率低于5Kbps）。
4） 具有錯誤檢測、錯誤通知和錯誤恢復(fù)功能。 所有單元都可以檢測錯誤（錯誤檢測功能），檢測出錯誤的單元會立即同時通知其他所有單元（錯誤通知功能），正在發(fā)送消息的單元一旦檢測出錯誤，會強制結(jié)束當(dāng)前的發(fā)送。強制結(jié)束發(fā)送的單元會不斷反復(fù)地重新發(fā)送此消息直到成功發(fā)送為止（錯誤恢復(fù)功能）。
5） 故障封閉功能。 CAN 可以判斷出錯誤的類型是總線上暫時的數(shù)據(jù)錯誤（如外部噪聲等）還是持續(xù)的數(shù)據(jù)錯誤（如單元內(nèi)部故障、驅(qū)動器故障、斷線等）。由此功能，當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯誤時，可將引起此故障的單元從總線上隔離出去。
6） 連接節(jié)點多。 CAN 總線是可同時連接多個單元的總線。可連接的單元總數(shù)理論上是沒有限制的。但實際上可連接的單元數(shù)受總線上的時間延遲及電氣負載的限制。降低通信速度，可連接的單元數(shù)增加；提高通信速度，則可連接的單元數(shù)減少。

CAN物理層

與I2C、SPI等具有時鐘信號的同步通訊方式不同，CAN通訊并不是以時鐘信號來進行同步的，它是一種異步通訊，只具有CAN_High和CAN_Low兩條信號線，共同構(gòu)成一組差分信號線，以差分信號的形式進行通訊。

1. 閉環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)

CAN物理層的形式主要有兩種，圖 中的CAN通訊網(wǎng)絡(luò)是一種遵循ISO11898標(biāo)準的高速、短距離"閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)"，它的總線最大長度為40m，通信速度最高為1Mbps，總線的兩端各要求有一個"120歐"的電阻。

CAN閉環(huán)總線通訊網(wǎng)絡(luò)

2. 開環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)

圖中的是遵循ISO11519-2標(biāo)準的低速、遠距離"開環(huán)網(wǎng)絡(luò)"，它的最大傳輸距離為1km，最高通訊速率為125kbps，兩根總線是獨立的、不形成閉環(huán)，要求每根總線上各串聯(lián)有一個"2.2千歐"的電阻。

CAN開環(huán)總線通訊網(wǎng)絡(luò)

兩種標(biāo)準的電平特性

3. CAN協(xié)議中的差分信號

CAN協(xié)議中對它使用的CAN_High及CAN_Low表示的差分信號做了規(guī)定。
以高速CAN協(xié)議為例，當(dāng)表示邏輯1時(隱性電平)，CAN_High和CAN_Low線上的電壓均為2.5v，即它們的電壓差VH-VL=0V；而表示邏輯0時(顯性電平)，CAN_High的電平為3.5V，CAN_Low線的電平為1.5V，即它們的電壓差為VH-VL=2V。
例如，當(dāng)CAN收發(fā)器從CAN_Tx線接收到來自CAN控制器的低電平信號時(邏輯0)，它會使CAN_High輸出3.5V，同時CAN_Low輸出1.5V，從而輸出顯性電平表示邏輯0。

CAN的差分信號（高速）

在CAN總線中，必須使它處于隱性電平(邏輯1)或顯性電平(邏輯0)中的其中一個狀態(tài)。假如有兩個CAN通訊節(jié)點，在同一時間，一個輸出隱性電平，另一個輸出顯性電平，類似I2C總線的"線與"特性將使它處于顯性電平狀態(tài)，顯性電平的名字就是這樣來的，即可以認為顯性具有優(yōu)先的意味。

由于CAN總線協(xié)議的物理層只有1對差分線，在一個時刻只能表示一個信號，所以對通訊節(jié)點來說，CAN通訊是半雙工的，收發(fā)數(shù)據(jù)需要分時進行。在CAN的通訊網(wǎng)絡(luò)中，因為共用總線，在整個網(wǎng)絡(luò)中同一時刻只能有一個通訊節(jié)點發(fā)送信號，其余的節(jié)點在該時刻都只能接收。

協(xié)議層方面的東西

1. CAN的波特率及位同步

由于CAN屬于異步通訊，沒有時鐘信號線，連接在同一個總線網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點會像串口異步通訊那樣，節(jié)點間使用約定好的波特率進行通訊，特別地，CAN還會使用"位同步"的方式來抗干擾、吸收誤差，實現(xiàn)對總線電平信號進行正確的采樣，確保通訊正常。

位時序分解

為了實現(xiàn)位同步，CAN協(xié)議把每一個數(shù)據(jù)位的時序分解成如圖 405所示的SS段、PTS段、PBS1段、PBS2段，這四段的長度加起來即為一個CAN數(shù)據(jù)位的長度。分解后最小的時間單位是Tq，而一個完整的位由8~25個Tq組成。為方便表示，圖中的高低電平直接代表信號邏輯0或邏輯1(不是差分信號)。

CAN位時序分解圖

該圖中表示的CAN通訊信號每一個數(shù)據(jù)位的長度為19Tq，其中SS段占1Tq，PTS段占6Tq，PBS1段占5Tq，PBS2段占7Tq。信號的采樣點位于PBS1段與PBS2段之間，通過控制各段的長度，可以對采樣點的位置進行偏移，以便準確地采樣。

各段的作用如介紹下：

? SS段(SYNC SEG)
SS譯為同步段，若通訊節(jié)點檢測到總線上信號的跳變沿被包含在SS段的范圍之內(nèi)，則表示節(jié)點與總線的時序是同步的，當(dāng)節(jié)點與總線同步時，采樣點采集到的總線電平即可被確定為該位的電平。SS段的大小固定為1Tq。

? PTS段(PROP SEG)
PTS譯為傳播時間段，這個時間段是用于補償網(wǎng)絡(luò)的物理延時時間。是總線上輸入比較器延時和輸出驅(qū)動器延時總和的兩倍。PTS段的大小可以為1~8Tq。

? PBS1段(PHASE SEG1)，
PBS1譯為相位緩沖段，主要用來補償邊沿階段的誤差，它的時間長度在重新同步的時候可以加長。PBS1段的初始大小可以為1~8Tq。

? PBS2段(PHASE SEG2)
PBS2這是另一個相位緩沖段，也是用來補償邊沿階段誤差的，它的時間長度在重新同步時可以縮短。PBS2段的初始大小可以為2~8Tq。

通訊的波特率

總線上的各個通訊節(jié)點只要約定好1個Tq的時間長度以及每一個數(shù)據(jù)位占據(jù)多少個Tq，就可以確定CAN通訊的波特率。
例如，假設(shè)上圖中的1Tq=1us，而每個數(shù)據(jù)位由19個Tq組成，則傳輸一位數(shù)據(jù)需要時間T1bit =19us，從而每秒可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位個數(shù)為：

1x10 6 /19 = 52631.6 (bps)

這個每秒可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的個數(shù)即為通訊中的波特率。

同步過程分析

波特率只是約定了每個數(shù)據(jù)位的長度，數(shù)據(jù)同步還涉及到相位的細節(jié)，這個時候就需要用到數(shù)據(jù)位內(nèi)的SS、PTS、PBS1及PBS2段了。
根據(jù)對段的應(yīng)用方式差異，CAN的數(shù)據(jù)同步分為硬同步和重新同步。其中硬同步只是當(dāng)存在"幀起始信號"時起作用，無法確保后續(xù)一連串的位時序都是同步的，而重新同步方式可解決該問題，這兩種方式具體介紹如下：

(1) 硬同步

若某個CAN節(jié)點通過總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，它會發(fā)送一個表示通訊起始的信號(即下一小節(jié)介紹的幀起始信號)，該信號是一個由高變低的下降沿。而掛載到CAN總線上的通訊節(jié)點在不發(fā)送數(shù)據(jù)時，會時刻檢測總線上的信號。
見下圖，可以看到當(dāng)總線出現(xiàn)幀起始信號時，某節(jié)點檢測到總線的幀起始信號不在節(jié)點內(nèi)部時序的SS段范圍，所以判斷它自己的內(nèi)部時序與總線不同步，因而這個狀態(tài)的采樣點采集得的數(shù)據(jù)是不正確的。所以節(jié)點以硬同步的方式調(diào)整，把自己的位時序中的SS段平移至總線出現(xiàn)下降沿的部分，獲得同步，同步后采樣點就可以采集得正確數(shù)據(jù)了。

硬同步過程圖

(2) 重新同步

前面的硬同步只是當(dāng)存在幀起始信號時才起作用，如果在一幀很長的數(shù)據(jù)內(nèi)，節(jié)點信號與總線信號相位有偏移時，這種同步方式就無能為力了。因而需要引入重新同步方式，它利用普通數(shù)據(jù)位的高至低電平的跳變沿來同步(幀起始信號是特殊的跳變沿)。重新同步與硬同步方式相似的地方是它們都使用SS段來進行檢測，同步的目的都是使節(jié)點內(nèi)的SS段把跳變沿包含起來。

重新同步的方式分為超前和滯后兩種情況，以總線跳變沿與SS段的相對位置進行區(qū)分。第一種相位超前的情況如圖，節(jié)點從總線的邊沿跳變中，檢測到它內(nèi)部的時序比總線的時序相對超前2Tq，這時控制器在下一個位時序中的PBS1段增加2Tq的時間長度，使得節(jié)點與總線時序重新同步。

相位超前時的重新同步

第二種相位滯后的情況如圖 408，節(jié)點從總線的邊沿跳變中，檢測到它的時序比總線的時序相對滯后2Tq，這時控制器在前一個位時序中的PBS2段減少2Tq的時間長度，獲得同步。

相位滯后時的重新同步

在重新同步的時候，PBS1和PBS2中增加或減少的這段時間長度被定義為"重新同步補償寬度SJW (reSynchronization Jump Width)"。一般來說CAN控制器會限定SJW的最大值，如限定了最大SJW=3Tq時，單次同步調(diào)整的時候不能增加或減少超過3Tq的時間長度，若有需要，控制器會通過多次小幅度調(diào)整來實現(xiàn)同步。當(dāng)控制器設(shè)置的SJW極限值較大時，可以吸收的誤差加大，但通訊的速度會下降。

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未完待續(xù)！

小結(jié)：

由于時間關(guān)系，混子明天還上班的，就大概列舉到這里，部分東西也是引用網(wǎng)上的，自己也看過一些，大家也可以去搜了看看，野火的關(guān)于這方面的講解還是可以，還有推介文檔《CAN入門》、《CAN基礎(chǔ)》，這些可以去細看。
如果你只是作為一個了解的話，你掌握這個文章的協(xié)議層以上的東西就可以，大概能夠說出來點東西，大概知道是怎么個回事就可以，當(dāng)然如果你要深入了解什么的可以鉆研，如果你只是想用起來它，實際上沒得這種復(fù)雜，因為它就是一種總線而已，很多說的那些功能都已經(jīng)實現(xiàn)的了，我們更多的是在應(yīng)用層進行開發(fā)使用。
嗯，就記錄到這里，后面我有時間再接著寫一下CAN報文、數(shù)據(jù)幀的格式等相關(guān)的東西，就結(jié)束了！