CAN模块是如何工作的？

摘要： CAN模块是一种广泛应用于汽车、工业控制和通信领域的通信协议和硬件接口，它提供了可靠的数据传输和通信能力，被广泛用于多节点网络通信系统中，以下是关于CAN模块工作原理的详细解释：一...

CAN模块是一种广泛应用于汽车、工业控制和通信领域的通信协议和硬件接口，它提供了可靠的数据传输和通信能力，被广泛用于多节点网络通信系统中，以下是关于CAN模块工作原理的详细解释：

一、CAN控制器

CAN控制器用于将欲收发的消息（报文），转换为符合CAN规范的CAN帧，通过CAN收发器在CANbus上交换信息，CAN控制器芯片分为独立的控制器芯片和集成在微控制器中的控制器两类。

1. 接口管理逻辑

接口管理逻辑用于连接外部主控制器，解释来自主控制器的命令，控制CAN控制器寄存器的寻址，并向主控制器提供中断信息和状态信息。

2. CAN核心模块

收到一个报文时，CAN核心模块根据CAN规范将串行位流转换成用于接收的并行数据，发送一个报文时则相反。

3. 发送缓冲器

发送缓冲器用于存储一个完整的报文，当CAN控制器发送初始化时，接口管理逻辑会使CAN核心模块从发送缓冲器读CAN报文。

4. 验收滤波器

验收滤波器可以根据用户的编程设置，过滤掉无须接收的报文。

5. 接收FIFO

接收FIFO是验收滤波器和主控制器之间的接口，用于存储从CAN总线上接收的所有报文。

6. 工作模式

CAN控制器可以有两种工作模式：BasicCAN和PeliCAN，BasicCAN仅支持标准模式，PeliCAN支持CAN2.0B的标准模式和扩展模式。

二、CAN收发器

CAN收发器是CAN控制器和物理总线之间的接口，将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，在两条有差分电压的总线电缆上传输数据。

三、CAN通信原理

CAN通信采用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）的工作原理，这意味着每个节点都可以在总线上发送消息，但在发送之前需要先监听总线上的通信情况。

当一个节点要发送消息时，首先会监听总线，如果没有其他节点正在发送消息，它就可以开始发送，如果同时有多个节点尝试发送消息，就会发生冲突，在CAN总线上使用的是非毁坏性冲突检测机制，冲突的节点会立即停止发送，并在发送完自己的消息后再次来检测冲突。

CAN通信中还使用了位定时传输方式，即总线上的每个位都有固定的时间段，发送节点将每个位的电平保持一段时间，接收节点则在相应的时间段内检测位的电平，这种位定时传输方式确保了数据的同步和准确性。

CAN通信还通过帧的优先级来管理消息的传输，较低优先级的帧会在总线上等待较高优先级的帧发送完毕后再发送，确保重要消息的及时传输。

四、CAN帧格式与标识符

CAN通信使用帧格式来传输数据，CAN帧分为标准帧和扩展帧两种格式，标准帧由11位标识符、数据域、控制域和CRC（循环冗余校验）组成，标识符用于标识消息的优先级和内容，数据域用于传输实际的数据，控制域包含帧的控制信息，而CRC用于发送节点计算校验和，接收节点用于验证数据的完整性。

扩展帧使用29位标识符，其他组成部分与标准帧相同，扩展帧的使用使得CAN网络能够处理更多的节点和更大的数据量。

五、CAN通信管理和控制

CAN通信的管理和控制涉及多个方面，包括位定时、通信模式、错误处理和故障状态等。

1. 位定时

在CAN通信中，位定时是指将每个CAN总线的位划分为不同的时间段，并将位的电平保持一段时间，位定时可以通过设置同步段(Sync Segment)、传播段(Propagation Segment)和相位段(Phase Segment)来实现，这些设置直接影响到通信的可靠性和性能。

2. 通信模式

常见的CAN通信模式包括正常模式、监听模式、回环模式和静默模式。

3. 错误处理与故障状态

在CAN通信中，可能会出现一些错误情况，例如位错误、格式错误、CRC错误、接收溢出等，CAN控制器会检测这些错误，并根据具体的错误类型生成相应的错误码。

六、应用领域

CAN通信被广泛应用于各种领域，特别是在汽车和工业控制系统中，在汽车领域，CAN通信用于连接汽车的各个控制单元，如发动机控制单元（ECU）、刹车系统、仪表盘等，在工业自动化控制领域，CAN通信被用于连接各种设备和传感器，例如机器人、PLC（可编程逻辑控制器）、传感器网络等，CAN通信还应用于航空航天、医疗设备、能源管理等领域。

七、相关FAQs

Q: 什么是CAN ID？它在CAN通信中起什么作用？

A: CAN ID是CAN通信中用于标识消息优先级和内容的标识符，在标准帧中，CAN ID为11位；在扩展帧中，CAN ID为29位，CAN ID越低，表示消息的优先级越高，在CAN总线上，较低优先级的帧会在总线上等待较高优先级的帧发送完毕后再发送，确保重要消息的及时传输。

Q: 如何配置和使用CAN过滤器？

A: CAN过滤器用于过滤不需要接收的报文，STM32总共提供14个过滤器组来处理CAN接收过滤问题，每个过滤器组包含两个32位寄存器，即CAN_FiR0和CAN_FiR1，过滤器组可以配置为屏蔽位模式或标识符列表模式，屏蔽位模式下，一个寄存器作为标识符寄存器，另一个作为屏蔽码寄存器；标识符列表模式下，两个寄存器都用作标识符寄存器。