CAN通信协议

CAN 是 Controller Area Network 的缩写，是1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的通信协议，相关协议为ISO11898 及 ISO11519，是汽车电子领域一种非常重要的协议。I2C和SPI用于板上厘米级距离内的通信，而CAN用于几米（最高1Mbps）至几十米距离内的通信（最远可达10KM，但速率低于5Kbps），不分主从。

CAN类似RS485通过差分信号传输数据。根据CAN总线上两根线的电位差来判断总线电平，总线电平分为显性电平和隐性电平，显性为0，隐性为1。

CAN协议包括5种类型的帧：
数据帧：发送单元向接收单元传送数据
遥控帧：接收单元向具有相同ID的发送单元请求数据
错误帧：某个节点检测出错误时向其它单元通知错误
过载帧：接收单元通知其尚未做好接收准备
间隔帧：将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧
数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有 11 个位的标识符（ID），扩展格式有 29 个位的 ID。

数据帧一般由 7 个段构成：
帧起始。表示数据帧开始的段。
仲裁段。表示该帧优先级的段。
控制段。表示数据的字节数及保留位的段。
数据段。数据的内容，一帧可发送 0~8 个字节的数据。
CRC 段。检查帧的传输错误的段。
ACK 段。表示确认正常接收的段。
帧结束。表示数据帧结束的段。

标准帧格式如图：

字段名	字长 （位）	作用
起始位（SOF）	1	表示帧的传输开始
识别码（ID\green）	11	唯一识别码，同样代表了优先级
远程传输请求（RTR\蓝色）	1	数据帧是显性（0），远程请求帧是隐性（1）
标志码拓展位（IDE）	1	对于只有11位标志码的基本帧格式，此段为显性（0）
预留位（R0）	1	预留位一定是显性（0），但是隐性（1）同样是可接受的
数据长度代码（DLC\黄色）	4	数据的字节数（0-8字节）
数据段（Data field\红色）	0–64 (0-8 字节)	待传输数据（长度由数据长度码DLC指定）
循环冗余校验（CRC）	15	循环冗余校验
循环冗余校验定界码	1	隐性（1）
确认槽（ACK）	1	发信器发送隐性（1）其他接收节点可以发送显性（0）
确认定界码（ACK delimiter）	1	隐性（1）
结束位(EOF)	7	隐性（1）

扩展帧格式：

字段名	字长 （位）	作用
起始位（SOF）	1	表示帧的传输开始
标志符A（ID A\green）	11	唯一识别码的第一部分，代表优先级
替代远程请求（SRR）	1	数据帧是显性（0），远程请求帧是隐性（1）
标志符拓展位（IDE）	1	有29位标志符的拓展帧格式，此段为隐性（1）
标志符B（ID B\green）	18	唯一识别码的第二部分，同样代表了优先级
远程传输请求（RTR\蓝色）	1	数据帧是显性（0），远程请求帧是隐性（1）
预留位（r1，r0）	2	预留位是显性（0），但是隐性（1）同样是可接受的
数据长度代码（DLC\黄色）	4	数据的字节数（0-8字节）
数据段（Data field\红色）	0–64 (0-8 字节)	待传输数据（长度由数据长度码DLC指定）
循环冗余校验（CRC）	15	循环冗余校验
循环冗余校验定界符	1	隐性（1）
确认槽（ACK）	1	发送器发送隐性（1），其他接收节点可以发送显性（0）
确认定界符（ACK delimiter）	1	隐性（1）
结束位(EOF)	7	隐性（1）

一个 CAN 位时间（Bit Time）由以下部分组成：

SYNC_SEG (同步段)：固定 1 个时间量子（Tq），用于对齐发送端和接收端的位边界。
TSEG1 (时间段1)：由 PROP_SEG（传播段） + PHASE_SEG1（相位段1） 组成，用于补偿传播延迟，并为采样点前的时间窗口做准备。
TSEG2 (时间段2)：PHASE_SEG2，相位缓冲段，用于位采样之后的边沿相位调整。

TSEG1是采样点之前的时间段，主要补偿传播延迟。包含传播时间补偿（PROP_SEG），用于抵消总线传播延迟。决定采样点位置（采样通常在位时间的 75~87.5% 处）。
TSEG2是采样点之后的时间段，用于相位同步调整。用于相位缓冲，让接收器根据实际边沿调整定时，保持发收同步。必须 ≥ SJW（同步跳转宽度）。

一个位时间的总长度：
BitTime=(SYNC_SEG+TSEG1+TSEG2)×Tq
其中Tq = 1 / (fCANclk / BRP)，时间量子由 CAN 时钟和预分频器 BRP 决定。

设：CAN 时钟 = 16 MHz
BRP = 2 → Tq = 1 / (16MHz/2) = 125 ns
SYNC_SEG = 1 Tq
TSEG1 = 13 Tq
TSEG2 = 2 Tq
则：BitTime=(1+13+2)×125ns=16×125ns=2μs
位速率 = 1 / 2µs = 500 kbps
采样点位置：Sampling=（1+13）/（1+13+2）=87.5%
也就是在一个位周期的 87.5% 处采样。

仲裁过程：
假设节点A、B和C的标识符分别为0x300（011 0000 0000），0x200（010 0000 0000），和0x100（001 0000 0000），仲裁过程如下：

• 第1位（最高位）：
• 节点A发送0，节点B发送0，节点C发送0。总线电平为0（显性），所有节点继续仲裁。
• 第2位：
• 节点A发送1，节点B发送1，节点C发送0。总线电平为0（显性），节点A和节点B检测到总线电平与其发送的比特不匹配，因此节点A和节点B退出仲裁。
• 第3位：
• 节点C继续发送，因其他节点已退出，因此节点C成功仲裁。

MCU实现

CAN控制器的发送邮箱（Transmit Mailbox）和接收FIFO（Receive FIFO）是CAN外设内部用于缓冲报文的硬件资源，用来实现报文的排队、仲裁和缓存功能，以减少CPU对总线数据实时处理的压力。不同MCU的CAN控制器结构基本原理一致，但实现细节（邮箱数量、FIFO深度、触发机制等）有所不同。

发送邮箱 (Transmit Mailbox)存放待发送的CAN报文，每个邮箱包含：
报文ID（标准11位或扩展29位）
数据长度（DLC）
数据字段（最多8字节，CAN FD可到64字节）
发送控制标志（优先级、RTR等）

CAN控制器根据优先级（ID大小）和发送请求顺序，自动从邮箱中选取报文参与总线仲裁。

特点
多邮箱设计避免CPU等待总线空闲：CPU可提前写入多条报文，硬件自动排队发送。
某些MCU支持优先级调度，允许指定某邮箱优先于其他邮箱发送。

STM32经典CAN：3个发送邮箱
NXP S32K CAN-FD：32个发送缓冲区，可配置为邮箱模式或队列模式
TI TMS320系列：32个邮箱，可做收发混用

接收FIFO (Receive FIFO)存放接收到的CAN报文，CPU可以稍后再读取，避免因CPU处理慢而丢包。
FIFO通常带有：
报文过滤功能（ID过滤匹配才进入FIFO）
溢出标志（FIFO满时新数据被丢弃）
中断触发条件（至少1帧、FIFO半满、FIFO满等）

特点
提供缓冲深度，应对突发总线流量。
不同MCU支持多个独立FIFO，STM32支持2个接收FIFO（各深度3帧）；NXP CAN-FD支持多个接收FIFO和多个独立过滤规则；高端MCU甚至支持DMA，将FIFO数据自动搬到内存。