CANOpen系列教程04 _CAN總線波特率、位時序、幀類型及格式說明

1寫在前面

上一篇文章講述了CAN收發(fā)器的重要作用，也提及了一下CAN總線的優(yōu)勢主要在于CAN控制器。CAN控制器在CAN網(wǎng)絡(luò)中所處的位置如下圖：

本文講述的CAN控制器實現(xiàn)的幾個重要功能：CAN總線波特率、位時序、幀類型。

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CAN總線波特率

CAN總線屬于異步通信，因此就有通信波特率，而這個波特率發(fā)生器就位于CAN控制器內(nèi)部。我們不需要了解它是如何產(chǎn)生的，但需要了解它的含義。這章節(jié)針對初學者講述以下兩點內(nèi)容。

2.1 異步通信

在串行通信中，主要分異步通信和同步通信。

同步通信：通信設(shè)備之間通過同步信號（CLK時鐘）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ沤型酵ㄐ拧Ｈ?a href="http://wenjunhu.com/tags/i2c/" target="_blank">I2C、SPI這類通信中都具有一個時鐘信號，其實在STM32中USART也具有同步功能，只是我們大多數(shù)人都只用了它的異步功能。

異步通信：簡單來說，就是通信設(shè)備之間通過約定一樣的時間來收發(fā)數(shù)據(jù)。而這個時間就會決定本節(jié)說的波特率。

2.2 波特率

很多工程師一直都沒徹底搞明白什么是波特率，我這里還是結(jié)合UART波特率來簡述一下其含義。

在電子通信領(lǐng)域，波特（Baud）即調(diào)制速率，指的是有效數(shù)據(jù)信號調(diào)制載波的速率，即單位時間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)變化的次數(shù)。它是對符號傳輸速率的一種度量，1波特即指每秒傳輸1個符號。

UART每秒鐘傳送240個字符，而每個字符格式包含10位（1個起始位，1個停止位，8個數(shù)據(jù)位），這時的波特率為240Bd，比特率為10位*240個/秒=2400bps。

從上面的描述可以總結(jié)：

比特率：即單位時間內(nèi)傳送的二進制位數(shù)；

波特率：即單位時間內(nèi)傳輸?shù)姆杺€數(shù)；

只有在每個符號只代表一個比特信息的情況下，波特率與比特率才在數(shù)值上相等，但是它們的意義并不相同。

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位時序

上一章節(jié)講述了波特率，而決定波特率大小的就是本節(jié)說的位時序。在CAN標準中一個位可分為4段：

同步段（SS）

傳播時間段（PTS）

相位緩沖段1（PBS1）

相位緩沖段2（PBS2）

這些段又由可稱為 Time Quantum（簡稱Tq）的最小時間單位構(gòu)成。

1位分為4個段，每個段又由若干個Tq構(gòu)成，這稱為位時序。

而在STM32參考手冊中，將位時序分為三段，但它將它傳播段和位段1合并在一起了，如下圖：

1位由多少個Tq構(gòu)成、每個段又由多少個Tq構(gòu)成等，可任意設(shè)定位時序。通過設(shè)定位時序，決定傳輸?shù)牟ㄌ芈剩?/p>

這幾個參數(shù)會在以后編程中進行配置，從而決定通信的波特率。

關(guān)于同步，還有硬件同步、再同步等操作。但初學者可以不必過多理解，掌握上面基礎(chǔ)內(nèi)容就行了。更多關(guān)于位時序的內(nèi)容可以參看 ISO 11898 標準。

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幀類型及格式說明

CAN總線是通過以下5種類型的幀進行通信：

數(shù)據(jù)幀：用于發(fā)送單元向接收單元傳送數(shù)據(jù)的幀。

遙控幀：用于接收單元向具有相同 ID 的發(fā)送單元請求數(shù)據(jù)的幀。

錯誤幀：用于當檢測出錯誤時向其它單元通知錯誤的幀。

過載幀：用于接收單元通知其尚未做好接收準備的幀。

幀間隔：用于將數(shù)據(jù)幀及遙控幀與前面的幀分離開來的幀。

數(shù)據(jù)幀和遙控幀有標準格式和擴展格式兩種格式。標準格式有11個位的標識符ID，擴展格式有29個位的ID。

4.1 數(shù)據(jù)幀

如上圖，數(shù)據(jù)幀由7個段構(gòu)成：

(1) 幀起始

表示數(shù)據(jù)幀開始的段。

(2) 仲裁段

表示該幀優(yōu)先級的段。

(3) 控制段

表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)及保留位的段。

(4) 數(shù)據(jù)段

數(shù)據(jù)的內(nèi)容，可發(fā)送 0～8 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

(5) CRC 段

檢查幀的傳輸錯誤的段。

(6) ACK 段

表示確認正常接收的段。

(7) 幀結(jié)束

表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束的段。

理解數(shù)據(jù)幀的含義，請從認真理解它的定義：用于發(fā)送單元向接收單元傳送數(shù)據(jù)的幀。

一般的CAN總線通信，總線上通信絕大部分時候都是數(shù)據(jù)幀。像在CANOpen協(xié)議中，用的最多的PDO過程數(shù)據(jù)對象就是通過數(shù)據(jù)幀進行的通信。

初學者可以先理解數(shù)據(jù)幀，然后其他就容易理解了。下面再來講述一下數(shù)據(jù)幀7段的詳情。

4.1.1 幀起始

標準和擴展格式相同。表示幀開始的段，1個位的顯性位（如下圖）：

關(guān)于顯性和隱性電平，請參看我上一篇文章差分信號章節(jié)。

總線上的電平有顯性電平和隱性電平兩種。

總線上執(zhí)行邏輯上的線“與”時，顯性電平的邏輯值為“0”，隱性電平為“1”。

“顯性”具有“優(yōu)先”的意味，只要有一個單元輸出顯性電平，總線上即為顯性電平。并且，“隱性”具有“包容”的意味，只有所有的單元都輸出隱性電平，總線上才為隱性電平。（顯性電平比隱性電平更強）

4.1.2 仲裁段

標準格式和擴展格式在此的構(gòu)成有所不同。仲裁段表示該幀優(yōu)先級的段，擴展格式多了18位ID（如下圖）：

RTR = 0代表數(shù)據(jù)幀，RTR = 1代表遠程幀。

為什么叫仲裁段，就是通過ID來判斷總線上哪一個節(jié)點具有優(yōu)先發(fā)送的權(quán)利。ID越小（0代表顯性），優(yōu)先級越高。

4.1.3 控制段

標準和擴展格式的構(gòu)成有所不同?？刂贫斡?6 個位構(gòu)成（如下圖）：

它們除了都有4位表示數(shù)據(jù)段長度代碼（DLC）外，標準幀有IDE（數(shù)值為0）位和r0保留位，擴展幀有r0和r1保留位。

保留位必須全部以顯性電平發(fā)送。但接收方可以接收顯性、隱性及其任意組合的電平。

4.1.4 數(shù)據(jù)段

標準和擴展格式相同。數(shù)據(jù)段表示傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容，從 MSB（最高位）開始輸出，可發(fā)送 0～8 個字節(jié)的數(shù)據(jù)，長度由前面控制段決定。

4.1.5 CRC段

標準和擴展格式相同。CRC段是檢查幀傳輸錯誤的幀，由 15 個位的 CRC 順序和 1 個位的 CRC 界定符（用于分隔的位）構(gòu)成。

相比485這類通信，CAN控制器就已經(jīng)把CRC校驗做了，不需要你的程序再次去計算，從而節(jié)約了處理器資源。

4.1.6 ACK段

標準和擴展格式相同。ACK段用來確認是否正常接收。由 ACK 槽(ACK Slot)和 ACK 界定符 2 個位構(gòu)成。

A.發(fā)送單元在 ACK 段發(fā)送 2 個位的隱性位。

B.接收到正確消息的單元在 ACK 槽(ACK Slot)發(fā)送顯性位， 通知發(fā)送單元正常接收結(jié)束。這稱作“發(fā)送 ACK”或者“返回 ACK”。

4.1.7 幀結(jié)束

標準和擴展格式相同。幀結(jié)束是表示該該幀的結(jié)束的段。由 7 個位的隱性位構(gòu)成。

4.2 遙控幀

和數(shù)據(jù)幀相比，遙控幀是接收單元向發(fā)送單元請求發(fā)送數(shù)據(jù)所用的幀。所以，遙控幀沒有數(shù)據(jù)段。因此，遙控幀由如下 6 個段組成：

(1) 幀起始（SOF）

表示幀開始的段。

(2) 仲裁段

表示該幀優(yōu)先級的段?？烧埱缶哂邢嗤?ID 的數(shù)據(jù)幀。

(3) 控制段

表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)及保留位的段。

(4) CRC 段

檢查幀的傳輸錯誤的段。

(5) ACK 段

表示確認正常接收的段。

(6) 幀結(jié)束

表示遙控幀結(jié)束的段。

這6個段和上面數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容基本一樣，這里就不一一講述了。講一下遙控幀和數(shù)據(jù)幀的區(qū)別：

遙控幀的 RTR 位為隱性位，沒有數(shù)據(jù)段。

沒有數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)幀和遙控幀可通過 RTR 位區(qū)別開來。

問題一：遙控幀沒有數(shù)據(jù)段，數(shù)據(jù)長度碼該如何表示？

遙控幀的數(shù)據(jù)長度碼以所請求數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度碼表示。

問題二：沒有數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)幀有何用途？

例如，可用于各單元的定期連接確認/應(yīng)答、或仲裁段本身帶有實質(zhì)性信息的情況下。

4.3 錯誤幀

用于在接收和發(fā)送消息時檢測出錯誤通知錯誤的幀。錯誤幀由錯誤標志和錯誤界定符構(gòu)成。

(1) 錯誤標志

錯誤標志包括主動錯誤標志和被動錯誤標志兩種。

主動錯誤標志： 6 個位的顯性位。

被動錯誤標志： 6 個位的隱性位。

(2) 錯誤界定符

錯誤界定符由 8 個位的隱性位構(gòu)成。

4.4 過載幀

過載幀是用于接收單元通知其尚未完成接收準備的幀。過載幀由過載標志和過載界定符構(gòu)成。

(1) 過載標志

6 個位的顯性位。

過載標志的構(gòu)成與主動錯誤標志的構(gòu)成相同。

(2) 過載界定符

8 個位的隱性位。

過載界定符的構(gòu)成與錯誤界定符的構(gòu)成相同。

4.5 幀間隔

幀間隔是用于分隔數(shù)據(jù)幀和遙控幀的幀。數(shù)據(jù)幀和遙控幀可通過插入幀間隔將本幀與前面的任何幀（數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯誤幀、過載幀）分開。

過載幀和錯誤幀前不能插入幀間隔。

(1) 間隔

3 個位的隱性位。

(2) 總線空閑

隱性電平，無長度限制（0 亦可）。

本狀態(tài)下，可視為總線空閑，要發(fā)送的單元可開始訪問總線。

(3) 延遲傳送（發(fā)送暫時停止）

8 個位的隱性位。

只在處于被動錯誤狀態(tài)的單元剛發(fā)送一個消息后的幀間隔中包含的段。