原创 CAN总线通信原理分析

2 CAN总线同步机制分析
    在进行通信过程中，需要解决的最重要的问题之一就是如何实现收发端数据的同步，即接收端可以正确接收和解析发送端发送的数据。CAN总线协议是一种异步串行通信协议，属于基带通信，其同步的实现源于高级数据链路控制协议(HDLC)。具体来说，CAN总线协议的同步是通过如下所述的3个方面来实现的。
2．1 参数设定
    通信双方通过软件设置相同的波特率、相同的相位调整段长度、相同的同步跳转宽度，通过以上3个元素设置，定义了CAN总线传输过程中的位时间长度以及采样点位置，位结构如图2所示，图中的CAN时钟即是协议中定义的TQ时间，该时钟是通过外部时钟或者CPU外设时钟分频后得到的CAN控制器的基本时钟信号，SS段对应于起始段，总线上的跳变沿应发生在此段时间内，TESG1对应于传输段和相位调整段1，TESG2对应于相位调整段2，对于高速总线，控制器在TESG1和TESG2之间对总线进行采样判别。

2．2 固定的帧结构
    CAN协议中明确定义的固定的帧结构，便于CAN控制器和收发器对总线状态进行监测，在CAN2．0协议规范中，分为标准帧和扩展帧两种帧结构，两者区别只在于仲裁域，标准帧采用11位标识符，而扩展帧有29位标识符，具体的标准帧、扩展帧帧结构如表1、表2所示。

2．3 硬同步和再同步
2．3．1 硬同步
    所谓硬同步就是指在总线空闲期间(即总线电平表现为连续的隐性位)，控制器一旦检测到从隐性电平到显性电平的跳变，就说明此时总线上有站点开始发送数据，则强制CAN控制器的位状态计数器同步到图2所示的SS段，同时位时钟从此开始重新计数(CAN位时间由上层软件设定)。硬同步用于帧的起始判定。
2．3．2 再同步
    在CAN总线协议中，再同步是基于位填充机制实现的。与HDLC协议类似，在CAN的帧结构中，从帧起始到CRC序列位为止，一旦检测到5个连续相同极性的位，CAN控制器自动插入一个极性相反的位。再同步就是在数据传输过程中，CAN控制器通过检测总线上的跳变沿与节点内部位时间的差异来调整相位调整段1和相位调整段2，调整大小是由同步跳转宽度编程设定的，调整大小单位为TQ。具体调整规则是，在传输过程中，由CAN控制器检测到的总线上的跳变沿如果位于节点内部的SS位时间段内，则不需要调整；若跳变沿位于TESG1段，说明总线上的位时间相对于节点的位时间有延迟，则CAN控制器延长节点的TESG1位时间段，若延迟时间值(T0值)大于同步跳转宽度，延长时间为同步跳转宽度值，否则节点的CAN控制器延长其与总线位时间的差值；若跳变沿位于TESG2段，说明总线上的位时间相对于节点的位时间有超前，则CAN控制器减少节点的TESG2位时间段，具体调整规则与TESG1段的调整规则相似。

3 CAN总线地址机制分析
    不同于工业以太网、RS485等总线，CAN总线是通过数据包ID而非节点地址来收发数据的，即CAN总线上的节点没有固定的地址，取而代之的是每个节点都需要通过软件配置一个ID表(在该节点的验收滤波器单元中)，如果总线上的数据包的ID号在该节点的ID表中存在，则数据包成功通过该节点的验收滤波器单元的验收，并将被送到上层软件处理单元并进行相应的数据处理，否则，该数据包被丢弃。举例来说，若总线上的节点A想发送数据包到节点B，则该数据包的ID号必须位于节点B的ID表中，同理，若节点A想广播数据包到总线上，则该数据包的ID号必须位于总线上所有其它节点的ID表中。如前所述，ID表是通过软件进行配置的，但验收滤波功能却是通过CAN控制器中的验收滤波器这个硬件单元进行的，所以从速度上来说，验收造成的延迟很小。另外，采用这种地址机制的优点还在于是采用此总线的系统具有很高的灵活性，即新加入或删除的节点不会影响系统原有节点间的通信。