CAN通信
参考文档
一、CAN总线结构
没有时钟线，半双工异步通信，CAN总线上的所有节点没有主从之分。任何节点都可以在总线空闲时主动向总线上发送消息，灵活性极高。
CAN总线网络的结构有闭环和开环两种形式。
下图所示，是闭环结构的CAN总线网络，总线两端各连接一个120欧的电阻，两根信号线形成回路。这种CAN总线网络由ISO 11898标准定义，是高速、短距离的CAN网络，通信速率为125kbit/s到1Mbit/s。在1Mbit/s通讯速率时，总线长度最长达40m。
下图是开环结构的CAN总线网络，两根信号线独立，各自串联一个2.2k欧的电阻。这种CAN总线网络由ISO11519-2标准定义，是低速、远距离的CAN网络，通信速率最高125kbit/s。在40kbit/s速率时，总线最长距离可达1000m。
CAN总线的两根信号线通常采用的是双绞线，如下图4所示，传输的是差分信号，通过两根信号线的电压差CANH-CANL来表示总线电平。以差分信号传输信息具有抗干扰能力强，能有效抑制外部电磁干扰等优点，这也是CAN总线在工业上应用广泛的一个原因。
与传输的逻辑信号1或0对应。对应于逻辑1的称为隐性电平，对应于逻辑0成为显性电平。
上半部分为实际CANH和CANL的电平，下半部分对于的逻辑电平
CAN总线上的一个终端设备称为一个节点，在CAN网络中，没有主设备和从设备的区别。一个CAN节点的硬件部分一般由CAN控制器和CAN收发器两个部分组成。CAN控制器负责CAN总线的逻辑控制，实现CAN传输协议；CAN收发器主要负责MCU逻辑电平与CAN总线电平之间的转换。
线与逻辑：CAN总线具有“线与”的特性，也就是当由两个节点同时向总线发送信号时，一个是发送显性电平（逻辑0），另一个发送隐性电平（逻辑1），则总线呈现为显性电平。这个特性被用于总线总裁，也就是哪个节点优先占用总线进行发送操作。
二、波特率
三、CAN各类型帧
3.1 数据帧
主动发送包含ID和数据的帧，用于**发送单元 **向 接收单元 传送数据的帧。
1. 标准数据帧
- ID长度：11位标识符
- ID范围：2的11次方 = 2048个不同的报文ID
- 仲裁场结构：11位ID+RTR位
- IDE状态：显性(0)，位于控制场
- SRR位：不存在
- 优先级规则：只比较11位ID，ID值越小优先级越高
- 兼容性：所有CAN控制器
2. 扩展数据帧
ID长度：29位标识符（11位基ID 和 新增的18位扩展ID）
ID范围：2的29次方 = 5.36亿个不同的报文ID
仲裁场结构：11位ID+SRR位+IDE位+18位扩展ID+RTR位
IDE状态：隐性(1)，位于仲裁
SRR位：隐性(1)，取代了标准帧中RTR的位置
优先级规则：先比较11位基ID，再比较18位扩展ID，ID值越小优先级越高
兼容性：仅CAN 2.0B主动控制器完全支持
3. 标准数据帧与扩展数据帧的优先级
假设有一个标准帧（ID=0x123）和一个扩展帧（基ID=0x123）。
- 它们开始同时发送各自的ID。
- 前11位（0x123）完全相同，无法分出胜负。
- 接下来，标准帧要发送的是RTR位（显性0），而扩展帧要发送的是SRR位（隐性1）。
- 根据“显性覆盖隐性”的规则，**显性 (0) 赢得隐性 (1)**。
- 因此，标准帧赢得了仲裁，优先级更高。
结论：一个标准数据帧总是会优先于一个具有相同11位基ID的扩展数据帧。
3.2 遥控帧(远程帧)
请求数据，向网络上的其他节点发出的某个ID的数据请求，发送节点收到 遥控帧 后就可以发送相应ID的数据帧
1. 标准遥控帧
ID长度：11位标识符
ID范围：2的11次方 = 2048个不同的报文ID
仲裁场结构：11位ID+RTR位
RTR位：隐性(1)
IDE状态：显性(0)，位于控制场
SRR位：隐性(1)，取代了标准帧中RTR的位置
数据场：无
DLC字段的作用：指定希望收到的数据帧的数据长度
优先级规则：只比较11位ID，ID值越小优先级越高
2. 扩展遥控帧
ID长度：29位标识符（11位基ID 和 新增的18位扩展ID）
ID范围：2的29次方 = 5.36亿个不同的报文ID
仲裁场结构：11位ID+SRR位+IDE位+18位扩展ID+RTR位
RTR位：隐性(1)
IDE状态：隐性(1)，位于仲裁场
SRR位：隐性 (1)，取代了标准帧中RTR位的位置
数据场：指定希望收到的数据帧的数据长度
DLC字段的作用：指定希望收到的数据帧的数据长度
优先级规则：先比较11位基ID，ID值越小优先级越高
3. 标准遥控帧和扩展遥控帧的仲裁
规则与数据帧一致。
- 前11位（基ID）完全相同。
- 接下来，标准遥控帧发送RTR位（隐性1），扩展遥控帧发送SRR位（隐性1）。两者都是1，无法分出胜负。
- 再下一位，标准帧要发送IDE位（显性0），而扩展帧要发送的也是IDE位（但它是隐性1）。
- 根据“显性覆盖隐性”的规则，**显性 (0) 赢得隐性 (1)**。
- 因此，标准遥控帧赢得了仲裁，优先级更高。
结论：一个标准遥控帧总是会优先于一个具有相同11位基ID的扩展遥控帧
3.3 错误帧
当总线上任何节点检测到任何一种错误时，它不会保持沉默，而是会立即、主动地发送一个错误帧来打断当前正在进行的数据传输，并通知网络上的所有节点：“刚收到的报文有错误！”
主动错误
由检测到错误且错误状态为“主动错误” 的节点发出
这个显性位序列会强烈地破坏总线上正在传输的报文格式（因为正常报文中不可能出现6个连续的显性位），从而确保所有节点都能意识到错误的发生。
被动错误
由检测到错误但错误状态为“被动错误” 的节点发出
如果此时总线上没有其他节点发送主动错误标志（即没有“主动错误”节点检测到错误），这个被动错误标志将不会影响总线传输，因为它会被其他节点发送的显性位覆盖。
错误帧是如何被触发的？
- 位错误
- 填充错误
- CRC错误
- 格式错误
- 应答错误
3.4 过载帧
过载帧 是由接收节点 主动 发出的特殊帧，其目的是为了人为地插入额外的延迟，从而向网络中的其他节点宣告：“我目前太忙了，还没来得及处理上一帧数据，请稍微慢一点，等我准备好再发送下一帧。”
3.5 帧间空间
用于将数据帧、遥控帧与**前后的帧 ** 分隔 开的帧
四、工作模式
1. 正常模式
CAN 模块进行标准通信的模式
可以正常地发送和接收报文，CANTX发送的数据也会发给CANRX
节点可以输出显性电平（逻辑0）来仲裁或应答，从而影响总线状态。
数据流：既处理内部产生的发送数据，也处理从总线接收到的数据。
2. 静默模式
主要用于监听或分析总线流量，而不以任何方式干扰总线
只接收，不发送：可以接收到总线上的报文，并能产生正确的接收中断、更新接收错误计数器等。
不影响总线：节点的发送端只能输出隐性位（逻辑1）。这意味着：
- 它无法成功发送报文（因为无法产生显性位来开始帧、进行仲裁或应答）。
- 它不会破坏总线上其他节点之间的通信。即使它尝试发送，也只会发送一连串的“1”，而其他正常节点发送的“0”会覆盖这个“1”，因此总线不受影响。
数据流：只处理从总线接收到的数据。发送路径被有效禁用。
3. 环回模式
自己发送，自己接收：节点内部将发送端输出直接反馈到接收端输入
与外部总线隔离：在此模式下，CAN 控制器忽略来自外部 CAN 收发器的实际 RX 信号。它只处理自己内部环回的数据。
- 可以影响总线（注意！）：虽然它自己不听总线，但它的发送引脚 (TX) 仍然会正常工作，将报文发送到外部收发器上，从而影响物理总线。这是与环回静默模式的关键区别。
数据流：发送的数据同时被内部环回和发送到物理总线上。
4. 环回静默模式
这是环回模式和静默模式的结合，实现了完全的自测试，且与外部总线完全隔离。
自己发送，自己接收：与环回模式相同，内部进行自发自收。
与外部总线完全隔离：与静默模式相同，节点的 TX 引脚只能输出隐性位（逻辑1）。因此，它不会对外部物理总线造成任何影响。
同时，它也忽略外部总线的信号。
五、过滤器
1. 掩码和ID
过滤器的作用就是进行硬件层面的预处理，只允许那些与预设规则匹配的报文进入接收FIFO并产生中断，其他报文被硬件直接丢弃，从而极大地减轻CPU的负担。
- 过滤器ID (Filter ID): 你希望匹配的期望值。
- 过滤器掩码 (Filter Mask): 决定ID中的哪些位必须严格匹配，哪些位“我不关心”（don’t care）。
- 掩码位 = 1: 表示“必须匹配”。对应ID位必须与收到的报文ID位一致。
- 掩码位 = 0: 表示“不关心”。对应ID位无论是0还是1，都允许通过。
2. 两种工作模式
- 标识符列表模式
掩码被当作第二个完整的ID来使用。在这种模式下，过滤器只精确匹配你设置的少数几个特定ID。
示例：你设置：
过滤器ID = 0x123
过滤器掩码 = 0x456 (在此模式下，它被视为另一个ID)
那么控制器只接收ID恰好为 0x123 或 恰好为 0x456 的报文。
能设置的ID数量少。相当于“白名单”模式
- 掩码模式
真正的掩码模式。掩码定义了ID中需要匹配的位。
示例：你希望接收所有ID在 0x5A0 (0101 1010 0000)到 0x5AF(0101 1010 1111) 范围内的标准帧报文（即低4位任意）。
过滤器ID 设置为 0x5A0 (二进制 0101 1010 0000)
过滤器掩码 设置为 0x7F0 (二进制 0111 1111 0000)
解释：
掩码的高7位是 1，这意味着标准ID的最高7位（11位ID中的高7位）必须与 0x5A0 的高7位（即 0x5A）完 全匹配。
掩码的低4位是 0，这意味着低4位可以是任意值（0x0到0xF）。
结果：此过滤器将允许ID为 0x5A0, 0x5A1, 0x5A2, … 0x5AF 的报文通过。
可以用一个过滤器规则匹配一组ID