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一、CAN的概述及发展历史
CAN总线的概述及发展历史
CAN发展的时间线：
1983年，Bosch开始研究汽车网络技术
1986年，Bosch在SAE大会正式公布CAN的协议
1987年，Intel和philips公司先后推出CAN控制器芯片
1991年，Bosch颁布CAN2.0技术规范
1991年，CAN总线最新在Benz S系列轿车上实现
1993年，ISO颁布CAN国际标准ISO-11898
1994年，由CiA组织举办第一届国际CAN大会（iCC）
2015年，CAN FD的ISO标准化
2021年，CAN XL第三代使用的规范CIA-610
CAN概述
CAN（Controller Area Network，控制器局域网）是一种串行通信技术，专门用于在汽车电子控制单元（ECU）之间实现可靠的数据交换。
CAN通信特点
1）节点间采样多主通讯的方式
2）采用短帧结构，报文帧的有效字节数为8个，可达汽车到实时响应的要求
3）报文ID越小，优先级别越高。报文ID可分成不同的优先级，进一步满足汽车网络报文的实时性要求
4）非破坏性总线仲裁处理机制
5）可靠的CRC校验方式，传输数据出错率极低，满足汽车数据传输的可靠性要求
6）报文帧仲裁失败或传输期间被破坏有自动重发机制
7）节点在错误严重的情况下，具有自动脱离总线的功能，切断它与总线的联系，不影响总线的正常工作。
8）通讯距离最远达10KM
9）通讯速率最高1MB/S(此时距离最长40m)
10)节点数实际可达110个
11）CAN节点设计成本较低，通讯介质采用双绞线
通信网络参考模型OSI
应用层：人家交互
表示层：压缩解压、加密解密、编码解码
会话层：会话建立、维护中止会话隔离
物理层：提供电气规格，数据bit的传输100101011
二、CAN的物理层
CAN使用总线传输方式
早期汽车使用点对点的通讯方式，现在使用总线式的线束连接，减少了通讯线的数量、通过多个网络进行大量数据的高速传输、诊断和做线缆简单。
CAN物理电平说明
容错CAN优缺点：通讯速率低，承载的节点少，但具有更高的抗干扰能力。
CAN的编码规则
CAN编码采用的NRZ非归零编码（5个相同电平加入一个填充位），相同带宽的情况下，NRZ编码方式的信息量更大。
NRZI编码：当电平状态发生变化时，表示数据0，信号电平不变表示1（7个1变换一次0USB2.0通讯使用的编码方式就是NRZI编码。
RZ编码
NRZ编码
NRZI编码
CAN的传输介质
传输介质：非屏蔽双绞线
终端电阻：120Ω
双绞线的作用：外部干扰在两根导线上产生的噪声（在专业领域里，把无用的信号叫做噪声）相同，以便后续的差分电路提取出有用信号，差分电路是一个减法电路，两个输入端同相的信号（共模信号）相互抵消（m-n），反相的信号相当于x-（-y），得到增强。
CAN的终端电阻
CAN总线终端电阻的作用有3个：
1.提高抗干扰能力，让高频低能量的信号迅速走掉
2.确保总线快速进入隐性状态，让寄生电容的能量更快走掉
3.提高信号质量，放置在总线的两端，让反射能量降低
寄生电容进行充电和放电
CAN终端电阻选择
如图所示是CAN总线的经典拓扑图。终端电阻一般选择放在最远的两个节点上。如果其中一个放在中间位置，终端电阻外面的CAN收发器处于支路上，这将大大增加该节点的信号反射，进而影响总线通讯。
在CAN总线中使用的典型线缆，将它们扭制成双绞线，就可根据上述方法得到特征阻抗大约为120Ω，这也是CAN标准推荐的终端电阻阻值，所以这个120Ω是测出来的，不是算出来的，都是根据实际的线束特性进行计算得到的。
根据标准需要考虑短路到18V的情况，假设CANH短路到18V，电流会通过终端电阻流到CANL上，而CANL内部由于限流的原因，最大注入电流为50mA（TJA1145的规格书上标注），这时候120Ω电阻的功率就是50mA*50mA*120Ω=0.3W。
CAN总线的电平逻辑
CAN的数据采样点
采样点：是总线数据被读取并被解释为相应位值的时间点。
三、数据链路层
帧类型类型
数据帧
分类：标准帧和扩展帧
SOF：1bit，起始位，显性
Identifier：11bit/29bit, ID位
RTR：远程帧和数据帧位，远程帧“1”，数据帧“0”
SRR：替代远程帧位，“1”
IDE：扩展帧和标准帧，扩展帧“1”，标准帧“0”
r：预留
DLC：4bit，数据长度位
Data Field：0-8 Byte，数据位
CRC：15bit，数据CRC校验SOF----CRC前
DEL：校验和应答界定符
ACK：1bit，确认数据是否正常接收，所谓正常接收是指不含填充错误、格式错误、 CRC 错误。发送节点将此位为1，接收节点正常接收数据后将此位置为”0”；（1 bit）
DEL：校验和应答界定符，隐形“1”
EOF：7bit，结束标志位，连续7bit隐形位表示帧结束
CRC和ACK位
EOF结束位
远程帧
错误帧
错误帧：错误帧可用于指示通信期间检测到的错误。错误帧将强行中止正在进行的错误数据传输。
错误帧的结构与数据帧或远程帧明显不同，仅由两部分构成：错误标志（error flag）和错误界定符。
错误帧分类：
位错误：发送节点检查，发送数据后回读数据，检查发送是否错误
填充错误：接收节点检测。CRC之前，连续6个显性或隐形位
ACK错误：发送节点检测。发送数据后ACK位没有置低
格式错误：CRC之后11bit固定的格式位，
CRC错误：接收节点检测
位填充
位填充从以SOF的传输为开始，以CRC序列的最后一位的传输为结束。因此在传输包含8个数据字节的标准格式的数据帧时，在极限情况下，应有24个填充位。所以，理论上标准格式数据帧最多包含132位。
错误检测
错误跟踪
错误处理流程
过载帧和帧间隙
过载帧：接收节点向总线上其它节点报告自身接收能力达到极限的帧。
帧间隔：是用来隔离数据帧（或者远程帧）的，也就是说，数据帧（或者远程帧）经过插入帧间隔能够将本帧与先行帧
（数据帧、远程帧、错误帧、过载帧）分隔开来。
主动错误状态下的间隙帧
被动错误状态下的间隙帧
发送仲裁机制
特点：
1.仲裁发送在仲裁段
2.采用“线与”机制
3.ID值越小，优先级越高
4.仲裁失败进入“只听”模式，等待空闲发送
上图在多个节点同时发送报文时，首次出现不同，且发送显性位的节点占用总线。由于CAN报文首先发送的为ID段且显性位为逻辑“0”，因此ID越小该帧的优先级越高。
发送仲裁机制
上图：数据帧A的优先级高于数据帧B的优先级，总线空闲时，数据A先发。
仲裁场
仲裁流程
几种状态仲裁错误
仲裁场相同，数据场不一致
相同帧无应答，产生应答错误
相同帧有应答，隐藏了错误
位同步机制
同步的目的其实就是保证采样点采集时，采集的位数不会错乱，并且都是接收端同步。发送端发送一个帧，如果接收端有延时，并不做同步，那么就可能会出现，发送端发送第2位时，接收端还是按照第1位的时序来采样，导致接收端认为采集的到是第1位。显然就出错了。
1）同步段（Synchronization Segment）：长度固定，1个时间量子Tq；一个位的传输从同步段开始；同步段用于同步总线上的各个节点，一个位的跳边沿在此时间段内。
2）传播段（Propagation Segment）：传播段用于补偿报文在总线和节点上传输时所产生的时间延迟；传播段时长 ≥ 2 × 报文在总线和节点上传输时产生的时间延迟 ；传播段时长可编程（1~8个时间量子Tq）。
3）相位缓冲段1（Phase Buffer Segment1）：用于补偿节点间的晶振误差；允许通过重同步对该段加长；在这个时间段的末端进行总线状态的采样；长度可编程（1~8个时间量子Tq）。
4）相位缓冲段2（Phase Buffer Segment2）：用于补偿节点间的晶振误差；允许通过重同步对该段缩短；长度可编程（1~8个时间量子Tq）。
同步段时钟机制
系统时钟→CAN时钟→CAN位时间
波特率 = 1 / CAN位时间
位同步特点
一个位时间内只允许一种同步方式，要么硬同步要么重同步；
任何一个从“隐性”到“显性”的下降沿 都可以用于同步；
硬同步发生在报文的SOF位，所有接收节点调整各自当前位的同步段，使其位于发送的SOF位内；
重同步发生在一个报文SOF位之外的其它段，当下降沿落在了同步段之外时发生重同步；
在SOF到仲裁场发送的时间段内，如果有多个节点同时发送报文，那么这些发送节点对跳变沿不进行重同步。
硬同步
重同步
重同步，PBS1延长
重同步，PBS2缩短
同步跳转宽度
在重同步时，有个同步跳转宽度（SJW，Synchro Jump Width）的概念，表示的是PBS1和PBS2重同步时允许跳转的最大宽度。
同步跳转宽度必须满足以下几个条件：
SJW必须小于PBS1和PBS2的最小值
SJW最大值不能超过4
同步段规则
CAN报文在CAN总线上的传输时，物理延迟包含两个部分：
在CAN-BUS上传输造成的延迟
在节点内部传输造成延迟
按照CAN通信协议的规定，补偿给传播延迟的时间长度要至少等于实际实际传播延迟时长的2被，
即：tPTS≥2×tdel=2×(tdel+tBus)
四、CAN应用层
定义ID的规则
定义控制命令和节点
定义索引对象
分段报文写---起始帧
分段报文写---传输帧和结束帧
分段报文读-----起始帧
分段报文读----传输过程
