Linux内核编程（十六）CAN总线驱动

一、基础知识点

1. 什么是CAN总线？
      CAN (Controller Area Network) 是博世公司于 1986 年开发的一种串行通信协议，主要应用于汽车领域。CAN 协议的诞生是为了减少汽车中线束的数量，使得汽车中的电子控制单元（ECU）能够互相通信。ECU 是汽车中的最小控制模块，通过 CAN 总线，各个 ECU 模块可以在同一个局域网内实现高效的数据传输和通信。CAN 总线就像是汽车电子的“局域网”，让不同模块之间能够无缝协作。

2. CAN标准
      ISO 11898（高速 CAN）：该标准定义了 CAN 的通信速率范围为 125 kbps 到 1 Mbps，主要用于需要高速数据传输的应用场景，如动力总成和汽车的关键控制系统。
      ISO 11519（低速 CAN）：该标准定义了 CAN 的通信速率低于 125 kbps，适用于对传输速度要求不高、但对抗干扰和容错能力要求较高的应用场景，如车内的舒适性系统和传感器网络。

3. CAN收发器
   CAN收发器主要功能是将CAN控制器的TTL信号转换成CAN总线的差分信号。
   

4. 两台设备使用CAN总线的硬件连接
   （1）CPU自带CAN控制器
   （2）CPU不带CAN控制器
   
      can 总线俩端 120欧姆为终端电阻，是为了消除总线上的信号反射。上图中当然可以一台设备的cpu带CAN控制器，一台设备不带CAN控制器也可以相互通信。

5. CAN的电气属性
   
      使用差分信号，当 CANH（CAN 高线）和 CANL（CAN 低线）之间的电压相等（CANH = CANL = 2.5V），总线上处于隐形状态，这代表逻辑“1”。当 CANH 和 CANL 之间的电压相差 2V（CANH = 3.5V，CANL = 1.5V），总线进入显性状态，代表逻辑“0”。
      由于 CAN 使用差分信号传输，这种设计能够很好地抵抗电磁干扰。物理层通常采用双绞线作为传输介质，进一步增强了抗干扰能力，确保数据传输的稳定性和可靠性。

二、CAN协议

CAN 通信通过以下 5 种类型的帧进行：

   另外，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(称 ID)，扩展格式有 29个位的ID。

1. 数据帧

（1）概念：CAN 通信主要通过数据帧来发送数据，数据帧负责携带数据，从发送设备传输到接收设备。
（2）类型：标准数据帧（常用）：使用 11 位的标识符。扩展数据帧：使用 29 位的标识符。

（3）标准数据帧格式： 标准数据帧格式包含 7 个不同的位场。

（4）帧格式分析

●帧起始和帧结束
   帧起始：由1个显性位（逻辑“0”）组成，表示数据帧的开始。
   帧结束：由7个连续的隐性位（逻辑“1”）组成，表示数据帧的结束。

●仲裁字段： 仲裁字段包括 11 位 ID 位，1位 RTR 位，共 12 位。
   ID 位：仲裁字段包括 11 位的标识符（ID 位），用于区分不同功能的数据帧，也用于确定优先级。根据 CAN 总线的仲裁机制，ID 值越小，优先级越高。当多个节点同时发送时，ID 小的数据帧会优先传输。禁止设置高7位为隐性（禁止设定 ID = 1111111xxXX），因为这种情况下仲裁会受到影响。
   RTR 位：远程传输请求（Remote Transmission Request，RTR）标志位，用于区分数据帧和遥控帧。数据帧的 RTR 位必须为显性 0（逻辑“0”）。遥控帧的 RTR 位必须为隐性 1（逻辑“1”）
   在仲裁规则中，若数据帧和遥控帧具有相同的 ID，则数据帧的优先级大于遥控帧。

●控制字段：包含1 位 IDE 位、1 位 R0 保留位、4 位 DLC 位。
   IDE 位：用于区分数据帧类型。标准数据帧的 IDE 位固定为显性 0（逻辑“0”），扩展数据帧的 IDE 位为隐性 1（逻辑“1”）。
   R0 位：保留位，固定为显性 0（逻辑“0”），目前没有特定用途。
   DLC 位：4 位数据长度代码（DLC），用于表示数据字段中包含的数据字节数，范围为 0 到 8 字节。

●数据字段：数据字段可以承载 0 到 64 位的数据，也就是 0 到 8 字节的数据。这是实际传输的数据内容。

●CRC 校验字段：由 15 位 CRC 校验位和 1 位 CRC 界定符组成。
  前 15 位用于 CRC 校验，确保传输过程中的数据完整性。
  CRC 界定符：必须为隐性 1（逻辑“1”），用来分隔 CRC 校验位和后续字段。

●ACK 字段：ACK 字段由 2 位组成：1 位确认槽位和 1 位确认界定符。
 &emsp确认槽位：接收方在此位置发送显性位（逻辑“0”）来表示成功接收数据。
 &emsp确认界定符：必须为隐性 1（逻辑“1”），用于确认信号的分隔。

2. 遥控帧

  遥控帧与数据帧的主要区别在于没有数据字段，因此遥控帧可以看作是去掉数据字段的数据帧。有些资料中也称遥控帧为远程帧。和数据帧一样，遥控帧也分为两种格式：标准格式和扩展格式。两种格式的遥控帧都包含以下 6 个部分：帧起始、仲裁字段、控制字段、CRC字段、应答字段、帧结尾。

●遥控帧用于接收设备主动请求数据。具体流程如下：
（1）发送方的正常广播：发送设备通过 CAN 总线广播数据帧，其他设备通过 ID 来识别并接收自己需要的数据。
（2）接收方的请求：如果接收设备需要的数据还没有被发送方广播，它可以通过发送一个遥控帧来请求该数据。遥控帧与数据帧类似，但没有携带实际数据，而是用相同的 ID 表示请求的内容。
（3）发送方响应：当其他设备（通常是拥有该数据的发送设备）接收到这个遥控帧后，它会识别出这是一个数据请求，并根据 ID 确定需要发送的数据内容。
（4）广播数据：发送设备在响应遥控帧后，会通过 CAN 总线广播该请求的数据帧，所有接收设备（包括发送遥控帧的接收方）都可以接收并使用这条数据。
  因此，遥控帧的作用是让接收设备在需要特定数据时，主动发出请求，触发发送设备广播该数据，确保接收方能够得到所需的数据。

3. 错误帧

  错误帧是在 CAN 总线通信中用于检测和报告错误的特殊帧。当某个节点检测到数据传输过程中发生错误时，会立即发送错误帧，通知其他节点停止当前数据传输，并重发数据帧。通过错误帧，CAN 总线确保了通信的可靠性，并且在发生错误时可以进行快速恢复和数据重发。

●错误帧由两个部分组成：错误标志（主动、被动）、错误定界符。
主动错误标志：由 6 个连续的显性位（逻辑“0”）组成，用于主动报告错误。主动错误标志由检测到错误的节点发送。
被动错误标志：由 6 个隐性位（逻辑“1”）组成，用于被动报告错误，表示该节点已经进入了“被动错误状态”。
错误定界符：由 8 个隐性位（逻辑“1”）组成，用于标识错误帧的结束。

4. 过载帧

  当接收节点准备好接收下一帧数据的时间不足时，它会发送过载帧（Overload Frame）来通知发送节点延迟下一次数据发送。这种机制确保了在接收节点负载较重时，数据传输能够得到有效管理，避免了数据丢失或通信冲突。

●过载帧格式：过载标志、过载界定符。
  过载标志：由 6 个连续的显性位（逻辑“0”）组成，与主动错误标志的构成相同。该标志用来指示接收节点需要额外的时间来处理接收到的数据，或准备接收下一帧数据。
  过载界定符：由 8 个隐性位（逻辑“1”）组成，与错误界定符的构成相同。该界定符标识过载帧的结束。

●过载帧的工作机制：
（1）当接收节点需要更多时间来准备接收下一帧数据时，它会立即发送一个过载帧。
（2）如果接收节点仍然无法准备好接收更多数据，它可以发送最多两条连续的过载帧来进一步延迟数据发送。
（3）发送节点在接收到过载帧后，会暂停当前的数据传输，并在接收到过载帧后的时间后重新尝试发送数据。

5. 帧间隔

帧间隔是用于分隔数据帧和遥控帧的帧。由三个隐性电平组成。过载帧和错误帧前不能插入帧间隔。

三、位填充

填充范围：从帧起始到 CRC 字段。
填充规则：在相同极性的5个连续位之后使用位填充。填充位与其前面的位极性相反。

四、波形分析