目录

• 引言
• 一、CAN的应用
  • 1. 为什么车载用CAN?
  • 2. CAN连接示意
  • 3. CAN物理层特性
    • 3.1 抗干扰
    • 3.2 CAN总线电平逻辑
    • 3.3 终端电阻
  • 4. CAN内部结构
    • 4.1 发送邮箱（X Mailbox）
    • 4.2 接收FIFO
    • 4.3 过滤器(Filter)
    • 4.4 回环模式（LoopBack）
    • 4.5 CAN波特率

一、 CAN的应用

1.为什么车载用CAN?

USART的问题：
  ① 一对一通信，不能多设备共用总线
     一个USART只能接一个设备
     车上几十个ECU，不可能每个都拉一对TX/RX
  
  ② 没有错误检测机制
     数据被干扰了，收发双方都不知道
     车上电磁干扰大，数据出错率比桌面上高得多

  ③ 没有优先级机制
     紧急数据（刹车信号）和普通数据（车窗位置）
     在同一个总线上没有优先级区分

SPI的问题：
  ① 线太多（4根+每设备一根CS）
     车门里面没有空间拉这么多线
  
  ② 距离短（一般不超过30cm）
     车上ECU分布在车头到车尾，距离几米到十几米
  
  ③ 没有多主机能力
     不能两个ECU同时往总线上发数据

所以引入CAN：

车上需要这种通信系统：
  ① 所有ECU共用两根线（CANH/CANL）
     —— 代替USART的一对一和SPI的多CS

  ② 任何ECU都可以随时发消息
     —— 多主机，不需要主机轮询

  ③ 紧急消息优先发送
     —— 刹车信号必须比车窗信号先发

  ④ 有完整的错误检测和重发机制
     —— 数据错了能发现、能重发

  ⑤ 距离远（最长40m@1Mbps）
     —— 满足车身长度需求

CAN全部做到了。

• CAN 与 USART SPI对比

对比项        USART           SPI              CAN
──────────────────────────────────────────────────────────
线数          2（TX/RX）      4+CS             2（CANH/CANL）
距离          几米            几十厘米         最长40米
速度          115200~921600  几MHz~几十MHz    最高1Mbps
                                                （低速CAN到125kbps）
多设备        不支持           支持（需CS线）    支持（无CS线）
多主机        不支持           困难             原生支持
优先级        无              无               有（ID仲裁）
错误检测       无（只有奇偶校验） 无              有（CRC+ACK+位填充）
数据量        任意             任意              一帧最多8字节
                                             （CAN FD最多64字节）
每帧固定格式   起始+数据+停止    无固定格式       SOF+ID+控制+数据+CRC+ACK+EOF

2. CAN连接示意

• 车载网络中：

  发动机ECU   ──┐
               │
  变速箱ECU   ──┤
               │
  ABS/ESP   ───┼──── CANH ────┐
               │              │          ┌───── 车窗ECU
  车身BCM    ───┤              ├─────────┤
               │              │          └───── 车门ECU
  气囊ECU    ───┤     CANL ────┘
               │
  仪表盘     ───┘
  
  所有ECU都挂在同一对CANH/CANL上
  任何ECU都能发消息
  任何ECU都能收到所有消息（但不一定处理）
  

• STM32连接到CAN总线：

  STM32不能直接连CAN总线——需要CAN收发器。
  
             CAN收发器
    STM32   ┌──────────┐
    CAN_TX ─┤ TX      CANH├─── CANH
            │          │
    CAN_RX ─┤ RX      CANL├─── CANL
            │          │
            └──────────┘
             VCC=3.3V   GND
  
    常用CAN收发器芯片：
      TJA1050（5V供电，推荐）
      SN65HVD230（3.3V供电）
      TJA1040（带待机模式）
      
    STM32F103C8T6的CAN引脚：
      CAN1_RX = PA11
      CAN1_TX = PA12
  

3. CAN物理层特性：

3.1 抗干扰

• USART用一根TX线传输，SPI用一根MOSI线传输。CAN为什么用两根？因为抗干扰。

  车上环境：
    发动机点火线圈产生的高压脉冲
    电机驱动产生的大电流突变
    继电器吸合产生的电弧
    这些都会在导线上感应出噪声电压
  
  单端传输（USART/SPI）：
    TX对GND的电压：0V或3.3V
    如果干扰在线上感应了+2V噪声
    你发3.3V，对方收到5.3V
    你发0V，对方收到2V（可能被误判为1）
    数据就错了
  

  差分传输（CAN）：
    CANH和CANL两根线一起传
    CANH - CANL 的差值代表数据
    如果两根线同时被感应了+2V噪声
    (CANH+2) - (CANL+2) = CANH - CANL
    差值不变，数据不受影响
  

3.2 CAN总线电平逻辑

CAN总线的两种状态：

  显性（Dominant）：
    CANH = 3.5V
    CANL = 1.5V
    差分电压 = 3.5 - 1.5 = 2.0V
    逻辑值 = 0
    为什么叫"显性"？
      只要有一个ECU输出显性，总线就是显性
      多个ECU同时输出时，显性覆盖隐性

  隐性（Recessive）：
    CANH = 2.5V
    CANL = 2.5V
    差分电压 = 2.5 - 2.5 = 0V
    逻辑值 = 1
    为什么叫"隐性"？
      所有ECU都输出隐性时，总线才是隐性
      有一个ECU输出显性，总线就被拉成显性

• 显性–差分电压有值–逻辑为0；
• 隐性–差分电压为0–逻辑为1；

• "线与"特性——和I2C的开漏类似：

  多个ECU同时发送：
    如果ECU_A发显性（0），ECU_B发隐性（1）
    总线结果是显性（0）
    因为显性驱动能力强（推挽），隐性靠电阻（类似上拉）
    这就是CAN仲裁的物理基础
  

• CAN控制器通过显性隐性机制实现无损仲裁：显性压倒隐性

  例如：

  ​ 发动机ECU : ID = 0X100 发送

  ​ ABS ECU : ID = 0X080 发送

  两个同时发送，CAN 不会冲突，会自动仲裁：

  规则： ID越小优先级越高；

  所以ABS先发，发动机停止发送等待下一次（是等待，不是重发）

3.3 终端电阻

CAN总线两端必须各接一个120Ω电阻：

  ┌──────┐              ┌──────┐
  │ ECU1 │──── CANH ────│ ECU2 │
  │      │   120Ω  120Ω │      │
  │      │──── CANL ────│      │
  └──────┘              └──────┘

为什么需要终端电阻？
  防止信号反射
  CAN总线上的信号频率高（最高1Mbps）
  如果总线末端不匹配阻抗
  信号会反射回来，和原始信号叠加
  导致数据错误

  为什么是120Ω？
  CAN总线设计时定义的特性阻抗就是120Ω
  汽车维修中经常遇到的故障就是"终端电阻丢失"
  表现为CAN通信时好时坏

• CAN总线：

  120Ω
   │
  CAN_H
   │
   │
   ECU1
   │
   ECU2
   │
   ECU3
   │
  CAN_L
   │
  120Ω
  

4. CAN内部结构

• STM32F103内部CAN框图：

             ┌───────────┐
             │   CPU     │
             └─────┬─────┘
                   │
          ┌────────▼────────┐
          │     bxCAN       │
          └───────┬─────────┘
                  │
       ┌──────────┼──────────┐
       │          │          │
       ▼          ▼          ▼
  
  TX邮箱(x3)   Filter(14)   RX FIFO(x2)
  
       │                      │
       └──────────┬───────────┘
                  ▼
             CAN收发器
                  ▼
             CAN总线
  

  操作CAN实际是在操作这3部分：

  发送邮箱
  接收FIFO
  过滤器
  

4.1 发送邮箱（X Mailbox）

1. 在前面时候，类似USRAT发送：

   USART_SendData();
   直接发进寄存器；
   

   CAN不同，因为数据量大：

   ​ 可能很多帧等待发送

   ​ 所以CAN内部有缓存

2. STM32中提供3个发送邮箱：

   Mailbox0
   Mailbox1
   Mailbox2
       
   每个邮箱都能存1帧数据
   

   • 假设CPU发送：

     Frame1
     Frame2
     Frame3
     

     则：

     Mailbox0 -> Frame1
     Mailbox1 -> Frame2
     Mailbox2 -> Frame3
     

     然后CAN控制器自己决定：

     谁先发
     谁后发
     

4.2 接收FIF0

1. 接收与发送不同

总线：

ECU1发送
ECU2发送
ECU3发送
    
都可能收到

如果CPU来不及处理–数据会丢失
所以CAN内部提供：

FIFO0
FIFO1

两个接收队列；

2. FIFO:

   First In First Out–先进先出

例如：收到3帧：

Frame1
Frame2
Frame3

存储：

FIFO

┌───────┐
│Frame1 │
├───────┤
│Frame2 │
├───────┤
│Frame3 │
└───────┘

CPU读取：

先读Frame1
再读Frame2
再读Frame3

3. 两个FIFO的作用：方便管理
   可以对接收到的数据进行分类

例如：

发动机数据：
    0x100
	0x101
	0x102
放：
    FIFO0
    
诊断数据：
    0x700
	0x701
放：
    FIFO1

4.3 过滤器(Filter)

1. 不需要的数据直接丢弃：

CAN是广播
总线上：

发动机转速
车速
ABS状态
空调状态
电池电压
电池温度
GPS数据
...

可能上千条消息；
而对应ECU只关心：

电池电压

如果全部接收，过于消耗CPU;

所以CAN提供–过滤器：

不需要的数据直接丢弃；
需要的数据进进入--FIFO

2. 过滤器工作位置 – 硬件执行

   总线
    ↓
   Filter
    ↓
   FIFO
    ↓
   CPU
   

3. 过滤器模式：

   掩码模式--Mask Mode--全部接收
   列表模式--List Mode--直接指定ID
   

   • 掩码模式–Mask Mode–全部接收

     例如：
         ID=0X100~0X1FF
         全部接收；
         
         通过： ID + MASK 实现
         
     if((ID & MASK)==TARGET)
     {
         接收
     }
     

   • 列表模式–List Mode–直接指定ID

     例如：
         0x100
     	0x123
     	0x555
     	0x777
     接收
         其他全部拒绝
     

4. 14组过滤器，每一组都有

   FR1
   FR2
       
   两个32位寄存器
   

4.4 回环模式（LoopBack）

回环模式 即:

通过CAN发送Frame
    直接返回自己的接收模块：
        TX
 		↓
	  CAN内部
 		↓
		RX

4.5 CAN波特率：

常用：

125K
250K
500K
1M

汽车中常见：

500kbps

新能源：

500kbps
1Mbps

CAN传输中所有节点波特率必须一致