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搭建机器人电控系统——通信协议——CAN通信及其实例

2022-02-06 16:02:56 作者：互联网

通信协议

串口通信详解
 IIC通信详解
 SPI通信详解
 CAN通信详解

计算机与外界的信息交互称为通信。

基本的通信方式分为两种：
串行通信：所传送的数据各位按顺序一位一位地发送或接受，占用资源少，速度相对较慢。
并行通信：所传送的数据的各个位是同时发送或接受。速度快，占用引脚资源多。

通信的速率：
比特率（bit rate）：每秒能传输的二进制位数。
波特率（Baud rate）：每秒能传输的码元数（不一定是二进制）。
对于数字信号而言，波特率=比特率。

串行通信的种类：
同步通信：带时钟同步信号传输，通讯双方是受同一个时钟源控制，如I2C、SPI、USART。
异步通信：不带时钟信号同步，不是同一个时钟源，按照一定规则传输，如USART、UART、单总线、CAN。

串行通信的方式：
单工：只允许单方向传输，只需一条信号线
半双工：允许非同时进行的双方向传输，只需一条信号线。
全双工：允许同时进行双方向传输，需要两条信号线。

通信协议是主控MCU与各类驱动器、传感器之间实现信息交互的基本逻辑，搞懂通信协议在机器人的电控系统中占有很重要的地位。在接下来的内容中，我将分别讲解串口、IIC、SPI和CAN通信协议的区别原理以及结合实际一些模块的代码部分。

CAN通信

什么是CAN通信？

CAN通信是串行通信的一种，但要优于传统串口协议总线，如汽车上的电气部分就采用CAN总线。与SPI和I2C不同，CAN总线不是以时钟信号来进行同步的，而是通过自己独有的位时序来同步的。它是一种异步半双工通信，通过两条线传输（CANL和CANH）。
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CAN通信的优点：

由于真实环境中干扰因素很多，不稳定，CAN通信采用了差分信号传输。即使环境问题导致CAN_High电压发送变化，则CAN_L也会发送同等变化，两者做差即可抵消由于这个环境引起的变化。
对比SPI：CAN节省了布线资源。
对比I2C：CAN提高了传输速率。

CAN通信电平格式：

CAN_Rx和CAN_Tx分别是从MCU中接出来的引脚。

比如MCU要发送一个逻辑1，则只要将CAN_Tx设置为1，经过CAN收发器转换（将MCU的TTL电平转化为CAN通信差分电平）。

CAN_High和CAN_Low 线上的电压均为 2.5v，即传到总线的电压差 Vh-Vl=0V，总线上的状态则就是逻辑1。

同样，当CAN_High和CAN_Low 读取到 CAN总线电压分别3.5V和1.5V，即压差为2V，经过收发器转换，MCU则可通过CAN_Rx读取到信号0。
**隐性电平——电压差为0——逻辑电平为1
**显性电平——电压差为2——逻辑电平为0

CAN通信的结构：

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在CAN总线的起止端有一个 120Ω的终端电阻，是用来做阻抗匹配，以减少回波反射，保证传输的稳定性。匹配电阻不能过多，只用在传输线的起始位置和终止位置添加即可，过多会导致传输丢失，在实际中要看主控板和接收端是否都有匹配电阻。

CAN通信协议

CAN通信没有地址的概念，所以同样少的线要求CAN通信有一个更复杂的协议。

空闲状态：总线上连续出现11位隐形电平（逻辑电平为1，线上电压为0）时，节点就认为总线处于空闲状态。
*总线上显性电平具有优先权，只要一个节点显性，总线就为显性。隐形则意味着所有节点都要输出隐形电平。
*同一时间只允许一个节点传输数据。

传输状态：当总线为空闲状态时，节点就会立即上报自己的数据，这个数据里不仅有数据，还有本身的ID信息或者其他的控制指令，传输的整个数据包称为报文/邮件/帧。CAN中一共有5种类型的报文/邮件/帧。
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数据帧：用于发送单元接收单元传送数据。（通常）
远程帧：用于接收单元向具有相同ID的发送单元请求数据。
错误帧：用于检测出错误时的上报。
过载帧：用于接收单元尚未做好准备时的上报。
帧间隔：用于以上几个帧之间的分隔。
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数据帧的传输：

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①起始位（SOF）：显性位（置0，传输电压2V，代表传输开始）
②仲裁段（ID）：11位，即本帧数据的ID信息，这段信息会被筛选器/过滤器筛选，来判断多个节点传输时谁优先？（0位多优先级高）传输目标节点通过识别ID数据位来判断是否接收？

筛选器/过滤器有两种模式：
标识符列表模式：把要接收报文的ID列成一个表，要求报文ID与列表中的某一个标识符完全相同才可以接收，可以理解为白名单管理。
掩码模式(屏蔽位模式)：把可接收报文ID的某几位作为列表，这几位被称为掩码，可以把它理解成关键字搜索，只要掩码(关键字)相同，就符合要求，报文就会被保存到接收邮箱FIFO。

③是否为远程帧（RTR）：1位，保持显性（置0）。数据帧为0，远程帧为1，远程帧没有数据段。
④标准格式和扩展格式（IDE）：1位，标准格式为显性（置0），扩展格式为隐形（置1）。

标准格式和扩展格式区别：
仲裁段（ID）长度：标准格式是11位，扩展格式是29位（即可以设置29位的CAN ID）
控制段起始：标准格式为IDE位+r0位；扩展格式为r1位+r0位。

⑤数据长度帧DLC：4位，表示接下来数据段含有的字节数，因为数据段最多为64位（8字节），所以DLC表示的数字范围为0-8（0000到1000），先高位再低位。
⑥数据内容帧DATA：64位，共8字节，对于每个字节来说，先高位再低位。
⑦校验帧CRC：15位（检验位）+1位（间隔位）检查是否有错误。
⑧应答帧ACK：1位（应答位）+1位（间隔位）
⑨停止位：7个连续的隐性位（置1，传输电压0V，代表传输结束）

为防止突发错误而设定，CAN协议中规定，当相同极性的电平持续五位时，则添加一个极性相反的位，这个位对数据传输没有影响。

传输的实例：

0 01000000000 0 0 1000 XX…XX CRC 11 1111111

传输的“时钟”——位时序：

CAN通信本身没有时钟线，所以它通过位时序来同步，充当时钟的作用，以此来保证接收的正确。

位时序：CAN通信传输一个数据帧本质是一连串的电平信号，每个电平信号代表一位。我们把每一位又分成四段，分解后最小时间段单位为Tq，一个完整的位由8到25个Tq组成，称为位时序：
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同步段（SS）：1Tq，在帧起始信号SOF出现时，将这个信号的跳变沿包含到同步段SS内，实现硬同步。
传播时间段（PTS）：1—8Tq，用来补偿实际的物理延时。
相位缓冲段1（PBS1）：1—8Tq，用来补偿硬同步阶段的误差，延长时间长度，称为重新同步。
相位缓冲段2（PBS2）：2—8Tq，用来补偿硬同步阶段的误差，缩短时间长度，称为重新同步。
*需要设置的参数：重新同步补偿宽度（SJW）1—4Tq，可以以此来规定PBS1和PBS2的长度，会对通信速率有影响。
*采样点：某一位的电平由该位中的采样点电平决定，采样点在PBS1处结束。