單片機外圍模塊漫談之三，CAN總線

1980年，Bosch的工程師開始研究汽車上高速串行通信的問題，並在1986年發布了CAN(Controller Area Network)總線。CAN以其多主，高速(最高1Mbps)，抗幹擾的特性被廣泛應用汽車及各種工業環境。在此我們主要介紹一下CAN總線的特點，幀類型，以及應用中的注意事項。

1. CAN總線特點

1.1 多主控制

跟我們常用的RS485隻有一個主機，從機只能等待主機的輪詢不同，在CAN總線中，當任意一個節點監測到總線空閒時，就可以立即啟動信息的發送，也就是每一個節點都可以當主機。當然，這馬上會引起我們的擔心。如同一個家庭每個人都當家做主，那還不亂了套嗎？不急，我們來看一下。這個問題是如何被巧妙地解決的。

物理層，CAN採用差分總線。單片機引腳的邏輯電平0，被CAN收發器(PHY)轉換為顯性電平(Dominant),邏輯電平1被轉換為隱性電平(Reccesive)。總線上執行的是"線與"邏輯，只要有一個節點輸出顯性電平，那麼總線上就是顯性電平。

仲裁(Arbitration),CAN的發送總是以SOF(Start Of Frame)起始，緊跟器後是ID。在發送ID的同時，節點監聽總線上的顯隱狀態，當監聽到的狀態與自己發送的不一致時，此節點將停止發送，進入只收模式。如下圖所示，每一幀消息所具有的ID決定了此消息的優先級，發送最高優先級消息的節點獲得總線最後的控制權，得以最終完整的發送自己的消息。

接收濾波(Filter)。一個掛在總線上的節點可以監聽到所有的消息(Message)，但通常我們只對其中某些消息感興趣，這時怎麼辦呢？CAN模塊一般會提供接收濾波功能(Filter)。通過設置濾波寄存器，我們可以達到接收消息時，比對ID所有位，也可以只比對ID某些位，從而達到只接收ID與自己完全相同的消息，或接收ID與自己部分相同的消息的目的。利用這種機制可以給節點編組，給組成員群發消息。

1.2 速度快，距離遠

CAN總線可以達到1Mbps的速率。總線速度隨著傳輸距離增加而下降，下面是一些典型速率。在一個數據幀內可以傳送8個字節的數據。

1000kbps 40m

500kbps 130m

100kbps 620m

50kbps 1300m

5kbps 10000m

2012年，Bosch又發布了CANFD(CAN with Flexible Data-rate),最高速率可以達到10Mbps,在一個數據幀內可以傳送64位元組的數據。2015 年 ，國際標準化組織（ISO）正式發布支持CAN FD的11898-1協議。

2. 幀類型

CAN協議很簡潔，只包含4種幀類型。

數據幀(Data Frame)，用來把數據從發送節點傳送至接收節點。

遠程幀(Remote Frame)，一個節點用來請求其它節點發送數據。一個節點發送遠程幀時會把Arbitration Filed最後一位RTR(置1)，具有相同ID的節點會把數據發送到總線上。

錯誤幀(Error Frame)，當一個節點檢測到錯誤時會向總線發出錯誤幀，以通知其它節點。

過載幀(Overload Frame)，用來在數據幀或遠程幀之間插入延時。

幀間隔(Interframe Space)，不是一種幀類型。它是幀之間的間隙，由多個連續的隱性電平構成。

在編程時我們直接用到的就是數據幀和遠程幀。軟體編程比較簡單，需要注意的是一般需要設置寄存器中的初始化請求位(Initialization request)，使模塊進入初始化狀態，才能開始進行CAN模塊的各種配置，初始化完成後退出初始化狀態，進入運行狀態。

3. CAN總線應用注意事項

3.1 終端匹配電阻

在CAN總線的兩端要用120歐的電阻端接進行阻抗匹配，因為CAN總線長度一般會比較長，傳輸的信號速度快，特別是信號的邊沿跳變部分頻率很高。

傳輸線效應 平常我們總是認為電信號從一個引腳發出，通過導線，瞬間就會到達接收引腳，導線上的電壓處處是相等的。但是當信號的頻率很高，或者導線特別長，總之導線的長度接近傳導信號波長的1/10後，我們就需要轉變一下我們的觀念，此時信號的傳輸主要受電纜特性阻抗的影響。

電纜特性阻抗 = 信號電場強度(伏特/米) / 磁場強度(安培/米)

電纜的特性阻抗與電纜的材質，粗細，線纜之間的距離有關，而與電纜的長度無關。電纜的特性阻抗還和信號的頻率有關，但是當頻率增加到一定數值時，特性阻抗不再變化。常用的帶屏蔽雙絞線的特性阻抗是120歐。

信號在阻抗不連續處會產生反射，所以要保持電纜阻抗的連續性，而且線纜終點需要用等於電纜特性阻抗的電阻進行端接，以消耗掉傳輸至端點的信號，否則信號會反射回去和後續發出的信號產生疊加，引起錯誤。

頻率與波長對應關係

150K 2000m

500K 600m

1M 300m

10M 30m

端接電阻的另一個作用是可以使CAN總線從顯性狀態快速回到隱性狀態。因為在顯性狀態下，兩條線纜CAN_H, CAN_L之間的寄生電容會被充電，如果沒有一個放電迴路，總線不能快速回到隱性狀態。

3.2 EMC防護

CAN常常工作在強幹擾的工業環境中，採用屏蔽雙絞線會極大的提升EMC防護性能。同時如果數字電路部分和CAN收發器之間用高速光耦隔離開，並且對兩部分採用完全隔離的電源供電，那麼可以把總線上的幹擾最大限度地隔離在外部。

需要注意的是屏蔽層只能在一點接入大地。如果在多個點接地，那麼通過大地會形成電流環路，反而會引入噪聲。

3.3 時鐘容差(Oscillator Tolerance)

總線的速度越高，需要的時鐘精度越高。一般在低於125kpbs時可以用低成本的陶瓷震蕩器(ceramic resonators)，更高的速度下建議使用晶體振蕩器(Quartz,or Crystal Oscilators)。

3.4 CAN模塊死機現象

CAN模塊內部有監控電路，總線上的異常，如短路等，會引起錯誤計數器增長。TEC(Transmit Error Counter), REC(Receive Error Counter)。當發送錯誤TEC計數超過255後，CAN模塊進入BUS-OFF模式，此節點不能發送也不能接收。這樣做的好處是可以避免由個別模塊的問題引起整個總線不能工作。

晶片一般會提供兩種恢復機制：自動和手動模式。比如在STM32單片機中，如果ABOM位設置為1，CAN模塊將不斷嘗試自動恢復。如果ABOM=0，則需要程序進入CAN初始化模式，重新配置後，再退出初始化進入正常工作模式。

由於CAN總線非常可靠，不易出錯，所以在測試階段建議人為製造一些總線錯誤，比如短路，斷路，強幹擾之類，看程序是否能從異常狀態下恢復。