CAN通讯协议层--秉火STM32学习笔记
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1. CAN 的波特率及位同步
由于CAN 属于异步通讯，没有时钟信号线，连接在同一个总线网络中的各个节点会像串口异步通讯那样，节点间使用约定好的波特率进行通讯，特别地，CAN 还会使用“位同步”的方式来抗干扰、吸收误差，实现对总线电平信号进行正确的采样，确保通讯正常。位时序分解
为了实现位同步，CAN 协议把每一个数据位的时序分解成如下图 所示的SS 段、PTS 段、PBS1 段、PBS2 段，这四段的长度加起来即为一个CAN 数据位的长度。分解后最小的时间单位是Tq，而一个完整的位由8~25 个Tq 组成。为方便表示，图 42-5 中的高低电平直接代表信号逻辑0 或逻辑1(不是差分信号)。
该图中表示的CAN 通讯信号每一个数据位的长度为19Tq，其中SS 段占1Tq，PTS 段占6Tq，PBS1 段占5Tq，PBS2 段占7Tq。信号的采样点位于PBS1 段与PBS2 段之间，通过控制各段的长度，可以对采样点的位置进行偏移，以便准确地采样。
| SS 段(SYNC SEG) | SS 译为同步段，若通讯节点检测到总线上信号的跳变沿被包含在SS 段的范围之内，则表示节点与总线的时序是同步的，当节点与总线同步时，采样点采集到的总线电平即可被确定为该位的电平。SS 段的大小固定为1Tq。 |
|---|---|
| PTS 段(PROP SEG) | PTS 译为传播时间段，这个时间段是用于补偿网络的物理延时时间。是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时总和的两倍。PTS 段的大小可以为1~8Tq。 |
| PBS1 段(PHASE SEG1) | PBS1 译为相位缓冲段，主要用来补偿边沿阶段的误差，它的时间长度在重新同步的时候可以加长。PBS1 段的初始大小可以为1~8Tq。 |
| PBS2 段(PHASE SEG2) | PBS2 这是另一个相位缓冲段，也是用来补偿边沿阶段误差的，它的时间长度在重新同步时可以缩短。PBS2 段的初始大小可以为2~8Tq。 |
通讯的波特率
总线上的各个通讯节点只要约定好1 个Tq 的时间长度以及每一个数据位占据多少个Tq，就可以确定CAN 通讯的波特率。
例如，假设上图中的1Tq=1us，而每个数据位由19 个Tq 组成，则传输一位数据需要时间T1bit =19us，从而每秒可以传输的数据位个数为：
1x106/19 = 52631.6 (bps)
这个每秒可传输的数据位的个数即为通讯中的波特率。
同步过程分析
波特率只是约定了每个数据位的长度，数据同步还涉及到相位的细节，这个时候就
需要用到数据位内的SS、PTS、PBS1 及PBS2 段了。
根据对段的应用方式差异，CAN 的数据同步分为硬同步和重新同步。其中硬同步只是当存在“帧起始信号”时起作用，无法确保后续一连串的位时序都是同步的，而重新同步方式可解决该问题，这两种方式具体介绍如下：
(1) 硬同步
若某个CAN 节点通过总线发送数据时，它会发送一个表示通讯起始的信号(即帧起始信号)，该信号是一个由高变低的下降沿。而挂载到CAN 总线上的通讯节点在不发送数据时，会时刻检测总线上的信号。
如下图可以看到当总线出现帧起始信号时，某节点检测到总线的帧起始信号不在节点内部时序的SS 段范围，所以判断它自己的内部时序与总线不同步，因而这个状态的采样点采集得的数据是不正确的。所以节点以硬同步的方式调整，把自己的位时序中的SS段平移至总线出现下降沿的部分，获得同步，同步后采样点就可以采集得正确数据了。
(2) 重新同步
前面的硬同步只是当存在帧起始信号时才起作用，如果在一帧很长的数据内，节点信号与总线信号相位有偏移时，这种同步方式就无能为力了。因而需要引入重新同步方式，它利用普通数据位的高至低电平的跳变沿来同步(帧起始信号是特殊的跳变沿)。重新同步与硬同步方式相似的地方是它们都使用SS 段来进行检测，同步的目的都是使节点内的SS段把跳变沿包含起来。
重新同步的方式分为超前和滞后两种情况，以总线跳变沿与SS 段的相对位置进行区分。第一种相位超前的情况如下图 ，节点从总线的边沿跳变中，检测到它内部的时序比总线的时序相对超前2Tq，这时控制器在下一个位时序中的PBS1 段增加2Tq 的时间长度，使得节点与总线时序重新同步。
2. CAN 的报文种类及结构
报文的种类
在原始数据段的前面加上传输起始标签、片选(识别)标签和控制标签，在数据的尾段加上CRC 校验标签、应答标签和传输结束标签，把这些内容按特定的格式打包好，就可以用一个通道表达各种信号了，各种各样的标签就如同SPI 中各种通道上的信号，起到了协同传输的作用。
为了更有效地控制通讯，CAN 一共规定了5 种类型的帧。
| 帧类型 | 帧用途 |
|---|---|
| 数据帧 | 用于节点向外传输数据 |
| 遥控帧 | 用于向远端节点传输数据 |
| 错误帧 | 用于向远端节点通知校验错误，请求重新发送上一个数据 |
| 帧间隔 | 用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来 |
数据帧的结构
数据帧以一个显性位(逻辑0)开始，以7 个连续的隐性位(逻辑1)结束，在它们之间，分别有仲裁段、控制段、数据段、CRC 段和ACK 段。
| 帧起始 | SOF 段(Start Of Frame)，译为帧起始，帧起始信号只有一个数据位，是一个显性电平，它用于通知各个节点将有数据传输，其它节点通过帧起始信号的电平跳变沿来进行硬同步。 |
|---|---|
| 仲裁段 | 当同时有两个报文被发送时，总线会根据仲裁段的内容决定哪个数据包能被传输，这也是它名称的由来。 仲裁段的内容主要为本数据帧的ID 信息(标识符)，数据帧具有标准格式和扩展格式两种，区别就在于ID 信息的长度，标准格式的ID 为11 位，扩展格式的ID 为29 位，它在标准ID 的基础上多出18 位 |
| RTR位 | 位(Remote Transmission Request Bit)，译作远程传输请求位，它是用于区分数据帧和遥控帧的，当它为显性电平时表示数据帧，隐性电平时表示遥控帧。 |
| IDE 位 | (Identifier Extension Bit)，译作标识符扩展位，它是用于区分标准格式与扩展格式，当它为显性电平时表示标准格式，隐性电平时表示扩展格式。 |
| SRR 位 | (Substitute Remote Request Bit)，只存在于扩展格式，它用于替代标准格式中的RTR 位。由于扩展帧中的SRR 位为隐性位，RTR 在数据帧为显性位，所以在两个ID相同的标准格式报文与扩展格式报文中，标准格式的优先级较高。 |
| 控制段 | 在控制段中的r1 和r0 为保留位，默认设置为显性位。它最主要的是DLC 段(DataLength Code)，译为数据长度码，它由4 个数据位组成，用于表示本报文中的数据段含有多少个字节，DLC 段表示的数字为0~8。 |
| 数据段 | 数据段为数据帧的核心内容，它是节点要发送的原始信息，由0~8 个字节组成，MSB先行。 |
| CRC 段 | 为了保证报文的正确传输，CAN 的报文包含了一段15 位的CRC 校验码，一旦接收节点算出的CRC 码跟接收到的CRC 码不同，则它会向发送节点反馈出错信息，利用错误帧请求它重新发送。CRC 部分的计算一般由CAN 控制器硬件完成，出错时的处理则由软件控制最大重发数。在CRC 校验码之后，有一个CRC 界定符，它为隐性位，主要作用是把CRC 校验码与后面的ACK 段间隔起来。 |
| 帧结束 | EOF 段(End Of Frame)，译为帧结束，帧结束段由发送节点发送的7 个隐性位表示结束。 |
关于其它的CAN 报文结构如下表
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