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▍概述
CAN(Controller Area Network)即控制器局域網，是一種能夠實現分布式實時控制的串行通信網絡。
想到CAN就要想到德國的Bosch公司，因為CAN就是這個公司開發的(和Intel)CAN有很多優秀的特點，使得它能夠被廣泛的應用。比如：傳輸速度最高到1Mbps，通信距離最遠到10km，無損位仲裁機制，多主結構。
近些年來，CAN控制器價格越來越低，很多MCU也集成了CAN控制器。現在每一輛汽車上都裝有CAN總線。
一個典型的CAN應用場景：
▍CAN總線標準
CAN總線標準只規定了物理層和數據鏈路層，需要用戶自定義應用層。不同的CAN標準僅物理層不同。
將邏輯信號轉換成物理信號(差分電平)，或者將物理信號轉換成邏輯電平。CAN標準有兩個，即IOS11898和IOS11519，兩者差分電平特性不同。
高低電平幅度低，對應的傳輸速度快;
*雙絞線共模消除干擾，是因為電平同時變化，電壓差不變。
物理層
CAN有三種接口器件
多個節點連接，只要有一個為低電平，總線就為低電平，只有所有節點輸出高電平時，才為高電平。所謂"線與"。
CAN總線有5個連續相同位后，就插入一個相反位，產生跳變沿，用于同步。從而消除累積誤差。
和485、232一樣，CAN的傳輸速度與距離成反比。
CAN總線，終端電阻的接法：
為什么是120Ω，因為電纜的特性阻抗為120Ω，為了模擬無限遠的傳輸線
數據鏈路層
CAN總線傳輸的是CAN幀，CAN的通信幀分成五種，分別為數據幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀和幀間隔。
數據幀用來節點之間收發數據，是使用最多的幀類型;遠程幀用來接收節點向發送節點接收數據;錯誤幀是某節點發現幀錯誤時用來向其他節點通知的幀;過載幀是接收節點用來向發送節點告知自身接收能力的幀;用于將數據幀、遠程幀與前面幀隔離的幀。
數據幀根據仲裁段長度不同分為標準幀(2.0A)和擴展幀(2.0B)
幀起始
幀起始由一個顯性位(低電平)組成，發送節點發送幀起始，其他節點同步于幀起始;
幀結束由7個隱形位(高電平)組成。
仲裁段
CAN總線是如何解決多點競爭的問題?
由仲裁段給出答案。
CAN總線控制器在發送數據的同時監控總線電平，如果電平不同，則停止發送并做其他處理。如果該位位于仲裁段，則退出總線競爭;如果位于其他段，則產生錯誤事件。
幀ID越小，優先級越高。由于數據幀的RTR位為顯性電平，遠程幀為隱性電平，所以幀格式和幀ID相同的情況下，數據幀優先于遠程幀;由于標準幀的IDE位為顯性電平，擴展幀的IDE位為隱形電平，對于前11位ID相同的標準幀和擴展幀，標準幀優先級比擴展幀高。
控制段
共6位，標準幀的控制段由擴展幀標志位IDE、保留位r0和數據長度代碼DLC組成;擴展幀控制段則由IDE、r1、r0和DLC組成。
數據段
為0-8字節，短幀結構，實時性好，適合汽車和工控領域;
CRC段
CRC校驗段由15位CRC值和CRC界定符組成。
ACK段
當接收節點接收到的幀起始到CRC段都沒錯誤時，它將在ACK段發送一個顯性電平，發送節點發送隱性電平，線與結果為顯性電平。
遠程幀
遠程幀分為6個段，也分為標準幀和擴展幀，且RTR位為1(隱性電平)
CAN是可靠性很高的總線，但是它也有五種錯誤。
CRC錯誤：發送與接收的CRC值不同發生該錯誤;格式錯誤：幀格式不合法發生該錯誤;應答錯誤：發送節點在ACK階段沒有收到應答信息發生該錯誤;位發送錯誤：發送節點在發送信息時發現總線電平與發送電平不符發生該錯誤;位填充錯誤：通信線纜上違反通信規則時發生該錯誤。
當發生這五種錯誤之一時，發送節點或接受節點將發送錯誤幀
為防止某些節點自身出錯而一直發送錯誤幀，干擾其他節點通信，CAN協議規定了節點的3種狀態及行為
過載幀
當某節點沒有做好接收的"準備"時，將發送過載幀，以通知發送節點。
幀間隔
用來隔離數據幀、遠程幀與他們前面的幀，錯誤幀和過載幀前面不加幀間隔。
構建CAN節點
構建節點，實現相應控制，由底向上分為四個部分：CAN節點電路、CAN控制器驅動、CAN應用層協議、CAN節點應用程序。
雖然不同節點完成的功能不同，但是都有相同的硬件和軟件結構。
CAN收發器和控制器分別對應CAN的物理層和數據鏈路層，完成CAN報文的收發;功能電路，完成特定的功能，如信號采集或控制外設等;主控制器與應用軟件按照CAN報文格式解析報文，完成相應控制。
CAN硬件驅動是運行在主控制器(如P89V51)上的程序，它主要完成以下工作：基于寄存器的操作，初始化CAN控制器、發送CAN報文、接收CAN報文;
如果直接使用CAN硬件驅動，當更換控制器時，需要修改上層應用程序，移植性差。在應用層和硬件驅動層加入虛擬驅動層，能夠屏蔽不同CAN控制器的差異。
一個CAN節點除了完成通信的功能，還包括一些特定的硬件功能電路，功能電路驅動向下直接控制功能電路，向上為應用層提供控制功能電路函數接口。特定功能包括信號采集、人機顯示等。
CAN收發器是實現CAN控制器邏輯電平與CAN總線上差分電平的互換。實現CAN收發器的方案有兩種，一是使用CAN收發IC(需要加電源隔離和電氣隔離)，另一種是使用CAN隔離收發模塊。推薦使用第二種。CAN控制器是CAN的核心元件，它實現了CAN協議中數據鏈路層的全部功能，能夠自動完成CAN協議的解析。CAN控制器一般有兩種，一種是控制器IC(SJA1000)，另一種是集成CAN控制器的MCU(LPC11C00)。
MCU負責實現對功能電路和CAN控制器的控制：在節點啟動時，初始化CAN控制器參數;通過CAN控制器讀取和發送CAN幀;在CAN控制器發生中斷時，處理CAN控制器的中斷異常;根據接收到的數據輸出控制信號;
接口管理邏輯：解釋MCU指令，尋址CAN控制器中的各功能模塊的寄存器單元，向主控制器提供中斷信息和狀態信息。
發送緩沖區和接收緩沖區能夠存儲CAN總線網絡上的完整信息。
驗收濾波是將存儲的驗證碼與CAN報文識別碼進行比較，跟驗證碼匹配的CAN幀才會存儲到接收緩沖區。
CAN內核實現了數據鏈路的全部協議。
▍CAN協議應用層概述
CAN總線只提供可靠的傳輸服務，所以節點接收報文時，要通過應用層協議來判斷是誰發來的數據、數據代表了什么含義。常見的CAN應用層協議有：CANOpen、DeviceNet、J1939、iCAN等。
CAN應用層協議驅動是運行在主控制器(如P89V51)上的程序，它按照應用層協議來對CAN報文進行定義、完成CAN報文的解析與拼裝。例如，我們將幀ID用來表示節點地址，當接收到的幀ID與自身節點ID不通過時，就直接丟棄，否則交給上層處理;發送時，將幀ID設置為接收節點的地址。
審核編輯：湯梓紅
工商網監
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