通信协议CAN总线的结构和通信实现（一）

　　1、CAN总线的简介
　　CAN总线简称 — 控制器局域网络，由德国BOSCH公司开发，是一种串行的差分总线，并且这种差分总线只传递数据信息。
　　CAN总线已经是国际上的一种通信标准（ISO11519），它具有高可靠性、良好的错误检测能力、总线仲裁等优良特点，被广泛应用在汽车控制系统、环境恶劣场所、电磁辐射强、干扰性大等场所中。
　　CAN是一种异步的通信方式，它的通讯不需要时钟进行同步。
　　CAN总线上只有CAN_H、CAN_L 两根通信线，数据以差分信号 的方式进行传输。
　　2、CAN的信号电气规则
　　CAN总线的传输线路上只有两根用于传输信号的信号线 — CAN_H、CAN_L。
　　CAN总线的数据传输使用的是差分信号的方式进行的。这两根线中的信号振幅相等，相位相反，逻辑 ＂1＂ 和 逻辑 ＂0＂ 通过两根信号线的电压差值表示出来。
　　在CAN的应用中，逻辑1也称为隐性电平，逻辑0也称为显性电平。
　　比如，以高速CAN为例：
　　逻辑1： CAN_H、CAN_L的电压均为2.5V，电压差为VH - VL = 0V。
　　逻辑0： CAN_H电压为3.5V，CAN_L电压为1.5V，电压差为 VH - VL = 2V。
　　示意图如下：
　　两根信号线的电压值根据标准的不同是有所差异的，如下表所示：
　　注意：CAN总线上，在同一个时刻只能处于隐性电平（逻辑1）或者显性电平（逻辑0）中的一个状态，且显性电平相比隐性电平具有优先权。比如：CAN总线上有两个节点，在同一个时刻，一个输出隐性电平，一个输出显性电平，这个时候总线上是显性电平状态。
　　3、CAN总线常见的接线网络
　　（1）闭环总线网络
　　CAN的闭环通信网络如下：
　　闭环通信网络的特点如下：1）遵照标准为 ISO11898；
　　2）最高速度可达1Mbps，总线最大长度为40m；
　　3）总线的两端要求各有一个120欧姆的电阻。
　　注意：闭环网络的情况下，CAN总线的两端需要各接一个120欧姆的电阻，用于增加总线的抗干扰能力，提高总线的稳定性。
　　根据我个人对CAN总线的使用经验，如果CAN总线上的总阻值不为60欧姆，总线的通信质量是会变差的，甚至可能会出现通信不稳定的情况！
　　（2）开环总线网络
　　CAN的开环通信网络如下：
　　开环通信网络的特点如下：1）遵循ISO11519-2标准；
　　2）最高的通信速度为125Kbps，是一种低速通信的连接方式；
　　3）最大的通信距离可达1Km；
　　4）两根总线独立，且要求每根总线上要串联一个2.2K欧姆的电阻。
　　4、CAN的通信速率
　　按照 ISO11898 标准中所规定的，CAN总线的通讯波特率最高为 1Mbps。大多数项目常用的CAN总线波特率有125Kbits/s，250Kbits/s，500Kbits/s，1MKbits/s等 。
　　CAN总线的传输距离与速率的对照表：
　　5、CAN总线的数据位时序分解
　　由于CAN总线是异步通信的，它不像IIC、SPI这种同步通行方式一样具有同步时钟，所以总线网络中的节点就需要约定好通信的波特率。
　　会把每一个数据位的时序进行分解，会分解成SS段、PTS段、PBS1段、PBS2段，这四个段加起来就是一个CAN的数据位长度。分解后的最小时间单位为Tq。它们分别如下：
　　同步段（SS段）： 该段的大小固定为1Tq。
　　当总线上的节点在SS段的范围内检测到总线上信号发生了跳变，就认为该节点与总线的时序是同步的。当节点与总线同步时，在采样点采集到的总线电平即可以确认为该位的电平。
　　传播时间段（PTS段）： 该段的大小为 1Tq ~ 8Tq。
　　这个时间段是用于补偿网络的物理延时时间。是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时总和的两倍。
　　相位缓冲段1（PBS1）： 该段的大小为 1Tq ~ 8Tq。
　　主要用来补偿边沿阶段的误差，它的时间长度在重新同步的时候可以加长。
　　相位缓冲段2（PBS2）： 该段的大小为 1Tq ~ 8Tq。
　　是用来补偿边沿阶段误差的，它的时间长度在重新同步时可以缩短。
　　为了方便说明，我就直接用高低电平表示CAN的逻辑1 和 逻辑0 信号，示意图如下：
　　图：CAN数据位分解图
　　上图是对CAN通信中的逻辑0进行分解的说明示意图。图中就表示每个数据位的长度为19Tq（SS 段占 1Tq，PTS 段占 6Tq，PBS1 段占 5Tq，PBS2 段占 7Tq），信号的采样点位于 PBS1 段与 PBS2 段之间，通过控制各段的长度，可以改变采样点的位置 。
　　6、CAN总线的波特率
　　在CAN总线的通讯中，各个通讯的节点只要确定了1个Tq的时间长度以及每个数据位占多少个Tq，由此就可以算出CAN通讯的波特率。
　　在CAN中，波特率也就只是约定了每个数据位的长度而已。
　　比如，上图（图：CAN数据位分解图）中，假设1Tq = 1us，每个数据位由19个Tq组成，则每传输1Bit数据需要的时间为：19Tq = 19us。
　　则一秒可以传输的数据位（bit）为：1000000 / 19 = 52.6316K（bps）
　　注意：波特率指的是每秒可以传输的数据位（bit）的个数。
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