【跟着CHATGPT学习硬件外设 | 06】CAN

🚀 1. 概念揭秘

1.1 快速入门

CAN，全称为控制器局域网(Controller Area Network)，是一种用于各种设备间通信的网络协议，最初由博世公司在1986年为汽车电子系统设计。CAN的主要用途是在车辆中实现各种电子控制单元(ECU)之间的通信，如引擎控制单元、刹车控制器和空调控制器等。

CAN有两种工作模式：标准模式和扩展模式。标准模式的数据帧有11位的标识符，而扩展模式的数据帧有29位的标识符，这意味着扩展模式能处理更多的信息。在标准模式下，CAN协议可以处理的消息有2048种，而在扩展模式下，这个数字可以达到5亿多种。

在CAN协议中，每个设备都可以在总线上发送和接收数据，但只有在总线空闲时才能开始发送数据。这意味着如果两个设备同时开始发送数据，那么具有较低标识符的设备将优先发送，而具有较高标识符的设备将等待下一次总线空闲时再发送。这种机制是CAN协议能在高噪声环境中可靠工作的关键。

1.2 关键精华

多主体通信： CAN允许网络上的多个设备同时通信，无需中心控制器。

非破坏性仲裁： 使用消息ID进行仲裁，保证了高优先级消息的传输，而不会被低优先级消息干扰。

差分信号传输： 提高抗电磁干扰能力，保证数据传输的可靠性。

广播寻址与过滤机制：

强大的错误检测： 包括循环冗余检查、帧检查等，确保数据的准确无误。

故障封闭：当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。

广泛应用： 在汽车、工业自动化等领域有着广泛的应用，是一个成熟且可靠的通信协议。

🌟 2. 秒懂案例

2.1 生活类比

CAN协议就像是一个高效的邮递系统。每个设备就像是一个邮局，它们可以发送和接收邮件（数据）。邮件的地址就相当于标识符，邮递员（总线）负责将邮件从一个邮局传递到另一个邮局。如果两个邮局同时开始发送邮件，那么地址（标识符）较小的邮局的邮件将优先被传递，这就像是邮递员按照地址的顺序进行投递。邮递系统还有一个错误处理机制，如果邮件在传递过程中出现问题，邮递员会尝试纠正错误，确保邮件准确无误地送达。

2.2 实战演练

在现代汽车中，CAN协议的应用非常广泛。例如，当驾驶员踩下刹车踏板时，刹车踏板传感器会发送一个信号到刹车控制器。这个信号会通过CAN总线传递，刹车控制器接收到信号后，会控制刹车系统进行刹车。同时，刹车控制器还会发送一个信号到仪表盘，让刹车灯亮起。这个过程中，所有的信号传递都是通过CAN协议完成的，可以看出，CAN协议在汽车中起着至关重要的作用。

🔍 3. 原理与工作流程探秘

3.1 消息帧

构成： CAN消息由多个部分组成，包括起始位、帧ID（标识符，决定消息的优先级）、控制字段（指示数据长度）、数据字段（最多8字节的数据）、CRC（循环冗余检查）、确认位和结束位。

帧类型： 包括数据帧（用于传输数据）、远程帧（请求数据）、错误帧（报告错误）和过载帧（延迟下一帧的传输）。

SRR:扩展帧固定为1；
IDE：扩展帧为1，数据帧为0；

3.2 传输过程

差分信号： CAN使用两条线传输差分信号，提高抗干扰性。当一条线为高电平时，另一条为低电平，反之亦然。
非破坏性仲裁： 多个节点尝试同时发送消息时，通过比较ID的每一位来决定优先级，ID值较低的消息优先级更高。发送过程中，如果检测到更高优先级的消息，节点会停止发送且进入接收状态，等待下一个发送机会。

3.3 错误检测

机制：CAN协议包含多种错误检测机制，如帧检查、循环冗余检查（CRC）、确认位检查等，确保数据传输的准确性和可靠性。
错误处理：发现错误后，节点会发送错误帧，引起所有节点重新发送受影响的帧，从而保证通信的正确性。

3.4 位填充

规则：为了防止错误同步，CAN协议规定如果在数据传输过程中连续出现五个相同的位，则自动插入一个相反的位。

3.5 确认机制

过程：所有接收节点都会对正确接收的帧进行确认。发送节点在传输完数据帧后，会留出一个确认位。如果接收节点成功接收到帧，它会在这个位置发送一个低电平位（主动发送0），作为确认。

视觉辅助

硬件框图

CAN硬件框图主要包括以下部分：

• 两个或更多的节点，每个节点都有一个CAN控制器和一个CAN收发器；
• 一个总线，所有的节点都连接到这个总线上；
• 每个节点都有一个发送缓冲区和一个接收缓冲区，用于存储待发送和已接收的帧。

操作手册

使用CAN接口的过程中，首先需要确保硬件连接正确。在CAN系统之间通过CAN总线（两条线路，CANH和CANL）进行连接。

在CAN接口的配置中，最重要的是设置正确的波特率。CAN通信的波特率通常在10Kbps到1Mbps之间，最常用的是500Kbps和250Kbps。波特率设置的不同，将会影响CAN接口的通信距离和通信速度。

在CAN通信中，信息的发送和接收都是通过CAN帧来实现的。CAN帧主要由标识符（ID）、控制字段、数据字段和校验字段组成。在使用CAN接口时，需要按照CAN协议的规定，正确地构造和解析CAN帧。

硬件设计注意事项

在设计CAN电路时，需要注意以下几点：

1. 电源和地线的设计：电源和地线应尽可能短并且宽，以减小电阻和电感。电源线和地线应尽可能平行，以减小地线阻抗。

2. 终端电阻：CAN总线的两端都需要连接120欧姆的终端电阻，以防止信号反射。如果CAN总线的长度超过40米，可能需要增加终端电阻。

3. 抗干扰设计：CAN总线应尽可能远离高频和强电磁干扰源。如果必须经过干扰区，应使用屏蔽线并且做好接地。

4. PCB布线：CANH和CANL应尽可能靠近并且平行，以减小电磁干扰。

配置攻略

准备阶段

• 工具与材料清单

  • CAN控制器
  • CAN收发器
  • 120欧姆终端电阻
  • CAN总线（两条线，CANH和CANL）

• 环境设置

  • 在电脑上安装CAN分析软件，如CANoe、PCAN-View等。

配置步骤

• 接口连接

  • 将CAN控制器的CANH和CANL接口，分别连接到CAN总线的CANH和CANL上。
  • 在CAN总线的两端连接120欧姆的终端电阻。

• 参数设置

  • 设置CAN控制器的波特率，通常设置为500Kbps或250Kbps。
  • 设置CAN控制器的工作模式，通常设置为正常模式。
  • 配置采样点和同步跳跃宽度：根据您的波特率和网络条件设置采样点和SJW。
  • 配置滤波器和掩码：如果您的CAN控制器支持消息过滤，请配置滤波器和掩码以减少不必要的数据处理。

验证与测试

• 功能测试

  • 通过CAN分析软件，发送一帧CAN数据，查看是否能在CAN总线上接收到这帧数据。
  • 通过CAN分析软件，查看是否能在CAN总线上接收到其他设备发送的CAN数据。

• 性能评估

  • 通过CAN分析软件，连续发送多帧CAN数据，查看数据的丢失率和错误率。
  • 通过CAN分析软件，测试CAN总线的最大通信距离。

高级优化

• 通过调整CAN控制器的滤波器设置，可以过滤掉不需要的CAN数据，提高数据处理效率。

• 通过调整CAN控制器的发送缓冲区和接收缓冲区的大小，可以优化数据的传输效率。

故障排查

• 如果CAN总线上无法接收到数据，首先检查硬件连接是否正确，然后检查CAN控制器的波特率和工作模式是否设置正确。

• 如果CAN总线上的数据有误，首先检查发送端和接收端的波特率是否一致，然后检查CAN帧的构造是否符合CAN协议的规定。

实用工具

• CANoe：强大的CAN总线分析和模拟工具。
• PCAN-View：简单易用的CAN总线测试和分析工具。

🌍 应用探索

场景导览

CAN（控制器局域网）的主要应用场景在于汽车行业，用于车辆的各种系统之间的通信，如发动机控制系统、刹车系统、空调控制系统等。此外，CAN也被广泛应用于工业自动化、医疗设备、航空航天、电力系统等领域，以实现设备之间的高效通信。

深入案例

在汽车行业中，CAN的应用尤为重要。在汽车的各种系统中，如发动机控制系统、刹车系统、空调控制系统等，都需要进行大量的信息交换。这些信息包括但不限于传感器的数据、控制命令、状态信息等。通过CAN，这些信息可以通过一个公共的总线进行传输，而不需要单独的连接线。这极大地简化了汽车的电气架构，减少了设计的复杂性和制造的成本。同时，CAN也提供了一种可靠的通信机制，能够保证信息的准确传输，从而提高汽车的安全性和可靠性。

总线拓扑

✨ 优势与挑战

亮点回顾

CAN的主要优点包括：

• 高效的通信：通过使用公共的总线，CAN可以实现设备之间的高效通信。
• 简化设计：通过使用CAN，可以减少单独的连接线，简化电气架构的设计。
• 提高安全性：CAN的通信机制可以保证信息的准确传输，从而提高设备的安全性和可靠性。

挑战剖析

尽管CAN有许多优点，但在使用过程中也可能面临一些挑战，主要包括：

• 限制的数据速率：由于CAN是基于总线的通信协议，因此其数据速率受到总线的带宽限制。
• 延迟问题：在大量设备同时使用CAN进行通信时，可能会出现延迟问题。
• 需要专门的硬件支持：使用CAN需要具备CAN控制器和CAN接口的硬件，这可能增加了设备的成本和复杂性。

参考资料

1. Vector中国官方自制总线协议介绍合集

原文地址：https://blog.csdn.net/RobotFutures/article/details/137153229

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