一文了解CAN總線(概述/特點/結(jié)構(gòu)/原理/采樣點設(shè)置)

1.CAN網(wǎng)絡(luò)簡介

CAN的中文是控制局域網(wǎng)（Controller Area Network），與1986年由德國Bosch公司為汽車開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于汽車的檢測和控制，目的是為了適應(yīng)汽車“減少線束數(shù)量”和“通過多個網(wǎng)絡(luò)進行大量數(shù)據(jù)的高速傳輸”的需求。

2.CAN網(wǎng)絡(luò)特點

CAN網(wǎng)絡(luò)的特點主要有以下幾點：

節(jié)點之間采用多主通信的方式

采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)幀為8個字節(jié)，實時性高

報文ID值越小，優(yōu)先級越高

具有非破壞性的總線仲裁處理機制

有可靠的CRC校驗方式，傳輸過程中出錯率極低

具有自動重發(fā)機制

節(jié)點嚴(yán)重錯誤時，具有自動脫離總線的功能

最遠通信距離可達10km（速率在5kbps一下）

通信速率最高可達1MB/s（此時通訊距離最遠40m）

實際節(jié)點數(shù)可大110個

成本低

3.CAN物理層結(jié)構(gòu)

CAN總線有兩條傳輸線路，為CAN_H和CAN_L，在總線兩端通常需要連接終端電阻，阻值為100-130 Ω。CAN網(wǎng)絡(luò)采用差分電平傳輸數(shù)據(jù)，在ISO11898（高速CAN）中，CAN_H顯性狀態(tài)電壓約為3.5V，隱性狀態(tài)電壓約為2.5V，CAN_L在顯性和隱性狀態(tài)下的電壓則分別為1.5V和2.5V。在CAN總線上可以有許多個節(jié)點（ISO建議最大32個節(jié)點，實際最大節(jié)點數(shù)可根據(jù)收發(fā)器的負載能力進行調(diào)節(jié)），每個節(jié)點包括Host主機，CAN控制器和CAN收發(fā)器。CAN收發(fā)器主要實現(xiàn)二進制碼流與差分信號之間的轉(zhuǎn)換，CAN控制器的作用主要是用于處理來自Host主機的數(shù)據(jù)并傳給CAN收發(fā)器。

4.CAN通信原理

CAN網(wǎng)絡(luò)采用異步通信的方式，因此需要根據(jù)波特率進行采樣。紅色箭頭則表示采樣點的位置，圖示采樣得到數(shù)據(jù)則為“1010 1010”。

說到采樣點，就需要引入位時間的概念。位時間是指每傳輸一位數(shù)據(jù)需要的時間，即位時間=1/波特率。一個位時間可以分為同步段、傳播段、相位緩沖段1和相位緩沖段2，某個位時間每個段的時間份額。

不同的波特率時間對應(yīng)的采樣點以及位時間的份額可能不同。以波特率為500k為例，一個位時間被分成了16個時間份額，采用點在第14個時間份額。

這里有一個問題，為什么CAN通信中，要波特率和采樣點要設(shè)置成一樣的呢？畫個圖就能一目了然。假設(shè)采樣點提前20%，那么采樣的數(shù)據(jù)就會為“0101 1010”，和之前的數(shù)據(jù)第五位就不相同了。因此，如果采樣點不同，就會造成數(shù)據(jù)傳輸錯誤，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越多，累積的錯誤數(shù)據(jù)位就越多。所以，在進行CAN通信時，一定要將各節(jié)點的波特率和采樣點設(shè)置成相同的。

5.軟件中采樣點的設(shè)置

5.1在PCAN-View軟件中

1、打開PCAN-View軟件便會有如下界面

我們可以看到在connect對話框中有連接選項和以下設(shè)置界面，在設(shè)置界面我們可以設(shè)置時鐘頻率、波特率、總線時序等，以及在“Filter setting”欄中我們可以設(shè)置過濾器條件，用于過濾報文（標(biāo)準(zhǔn)幀/拓展幀，過濾條件為報文ID范圍）。

2、點擊“Bus Timing Register”選項框后面的三角形箭頭，選擇“Manage Bit rates”，進入Manage Bit rates對話框

3、選擇“Add”，便可在右端對話框中輸入自己想要的參數(shù)，包括標(biāo)題、預(yù)分頻、時間段等參數(shù)，根據(jù)我們輸入的參數(shù)在下方的對話框中會實時顯示對應(yīng)的波特率、采樣點、時間量等信息，以便于我們完成對采樣點等信息的設(shè)置。

最后點擊“OK”完成對采樣點的設(shè)置。（在之后我們?nèi)羰窍胍淖儾蓸狱c，我們可以點擊工具欄中的連接按鈕，重新進入連接界面（“connect”界面））。

5.2 在PEAK-Explorer 5中設(shè)置采樣點

1、打開PEAK-Explorer 5，點擊菜單欄中的“Tool”，在下拉菜單欄中選擇“Nets Configuration”，進入PCAN Nets Configuration對話框

2、在PCAN Nets Configuration對話框中USB菜單欄下的Internet選項上單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“New Net”，進入“Net Properties”對話框，在這你可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)名稱、時鐘頻率、波特率等信息。

3、點擊波特率欄后的三個點，進入Manage Bit rates對話框，后續(xù)采樣點的設(shè)置操作同PCAN-View中相同，這里便不再贅述。

以上便是通過PCAN-View和PEAK Explorer 5兩個軟件完成對采樣點的設(shè)置，這兩個軟件對采樣點的設(shè)置可以與波特率計算工具配合使用，可以實現(xiàn)更簡潔的工作方式，提高工作效率。

6.波特率計算工具的使用

6.1選擇你的波特率類型

可選擇三種波特率類型，其分別為CAN、CAN FD、SJA-1000三種類型。CAN Bit Rate類型是用于實現(xiàn)對用CAN作控制器的FPGA實現(xiàn)的設(shè)備的波特率仲裁類型，比如PCAN-miniPCIe。

CAN FD Bit Rate同CAN Bit Rate類似，唯一區(qū)別在于CAN FD Bit Rate是針對用CAN FD作控制器，比如PCAN-PCI Express FD。

SJA-1000 Bit Rate類型是被用于產(chǎn)自飛利浦、有著8MHz的時鐘頻率、基于SJA-1000 CAN控制器的設(shè)備，比如PCAN-USB。

6.2 輸入波特率和偏移量

有兩個鍵入框，在第一個鍵入框中輸入要查詢的波特率和它的單位；在第二個鍵入框中輸入允許的偏移量（可選可不選），如若選擇“Allow bit rate deviation”，那么就要考慮輸入一個偏移度（容忍量），并且這近似的值將被列在結(jié)果中。如果沒進行勾選，僅有波特率的匹配值被給出，而沒有偏移量。

6.3 選擇輸入頻率、采樣點和位時間

第一欄是讓你選擇一個頻率去限制時鐘頻率，這將被用于計算波特率（至少選擇一個頻率）。第二欄是輸入采樣點范圍（可選可不選），輸入采樣點范圍是用于過濾采樣結(jié)果，如果不進行勾選，將得到所有采樣點結(jié)果。第三欄是選擇位時間范圍（可選可不選），與第二欄功能類似，區(qū)別在于第三欄是基于位時間范圍來過濾所得結(jié)果。如果不進行勾選，將得到所有位時間結(jié)果。

6.4 點擊開始計算，得出所要結(jié)果

在結(jié)果中我們可看到，上面的框中顯示我們已選擇的設(shè)置，下面的框中顯示計算結(jié)果。另外就是在整個流程中我們并沒用到的按鍵，其對應(yīng)的功能分別如下。

不同設(shè)備之間要實現(xiàn)準(zhǔn)確無誤的通信，波特率匹配是很重要的條件。波特率計算工具將簡化這一計算過程，避免了繁瑣而又復(fù)雜的公式計算，熟練掌握這一工具的使用，將大大提高我們的工作效率，降低人工計算的錯誤率。

責(zé)任編輯：tzh