CAN协议

协议概述

教程：

• https://www.bilibili.com/video/BV1HY411D7Ar/ 视频有点长，倍速挑着看就好
• https://www.bilibili.com/video/BV1vu4m1F7Gt/ 协议部分简单了解即可，重点看外设结构部分

特征：

• 两根差分数据线(CAN_H、CAN_L)，抗干扰，无需时钟线
• 总线上挂载多设备，异步通信，冲突时通过报文ID进行仲裁
• 报文长度1~8字节
• 广播式通信、请求-响应式通信
• 应答机制、CRC校验机制
• 分为低速和高速两种，电路连接和电平有所不同

差分信号

https://en.wikipedia.org/wiki/Differential_signalling

用两条平行的、等长的走线，传递互补的信号，利用两根线之间的电平差表示数值。
例如：RS485, USB, CAN

差分信号抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。

电路连接

高速/低速CAN的总线连接

显性电平/隐性电平：

• 和生物学到的显性基因/隐性基因类似
• 显性电平和隐性电平同时发送时，信号线上读取到的为显性电平
• 在CAN通信中，0为显性电平，1为隐性电平
• 两个设备分别同时发送0和1，信号线上读取到0

高速/低速CAN的电平标准

CAN收发器

帧格式

帧类型

• 数据帧：主动发送帧，发送数据，根据ID长度分为标准的和扩展的两种
• 遥控帧：主动发送帧，请求数据，根据ID长度分为标准的和扩展的两种
• 错误帧：硬件自动发送，出错时会发送
• 过载帧：硬件自动发送，忙碌时会发送
• 帧间隔：硬件自动发送，分割主动发送帧，以空出时间插入自动发送帧

数据帧格式

• 起始段(SOF)：1bit，标志帧起始，显性电平0
• 仲裁段
  • (ID)：11bit，表示CANID，同时用于仲裁
  • (RTR)：1bit，数据帧为0，遥控帧为1
• 控制段：
  • (IDE)：1bit，标准帧为0，扩展帧为1
  • (R0)：1bit，保留位，0
  • (DLC)：4bit，数据长度
• 数据段：0~8bytes
• 校验段
  • (CRC)：15bit，CRC校验码
  • (CRC delimiter)：1bit，隐性电平1
• 回复段
  • (ACK)：1bit，接收设备控制，正确为0，错误为1
  • (ACK delimiter)：1bit，隐性电平1
• 结束段(EOF)：7bit，隐性电平1

ID仲裁

概念：在同一个通信系统中，有时有多个设备想要同时发送信息。但是通信资源有限，当多个设备均想要占用同一个通信资源时，协议必须制定一种规则，旨在协调冲突，判断谁先应该占用资源，同时规定未占用资源的设备的行为。这就是仲裁。对于CAN这样的总线协议，数个设备直接连接到同一对线缆上，对线缆这个公用通信资源的仲裁尤其重要。

我们先理解只要有节点发送显性位，不论总线上其他节点如何发送，总线的整体状态一定是显性（逻辑0）。所有节点同步发送自己的ID的每一位时，查看总线状况。由于显性位会覆盖隐形位，于是对于节点来说，发送时只会有三种情况：自己发送隐性并且总线状态隐性、自己发送显性并且总线状态显性、自己发送隐性并且总线状态显性。

节点一边发送，一边接收。

• 如果节点发送的位与总线上的位相同，那么节点继续发送。
• 如果节点发送时，总线状态与自己发送的不一样，那么意味着这个节点的ID一定比某个同时发送的节点的大。那么根据CAN协议规定，这个节点失去仲裁。

这样一来，每个节点在发送自己ID的时候同步的进行了仲裁，任何接收端只需要一直接受就可以，总线是否有冲突与接收端无关，使得CAN系统不需要额外的时间来仲裁，非常高效。

举例：两节点ID分别为9和10

• 9(1001)

• 10(1010)

假设两节点同时发送数据。第一个时间段，两者同步发送1，总线为1，均继续发送。第二个时间段，两者同步发送0，总线为0，均继续发送。第二个时间段9发送0，10发送1，总线状态0。9继续发送，10看到总线状态与自己发送的不一致，于是中断之后所有发送。仲裁完成。9之后继续正常发送

位时序

概述

• CAN协议为异步协议，无时钟线。设定固定的波特率进行采样
• 由于晶振会随着温度变化而产生漂移，为了避免细微的时钟不一致，使得采样更加精确，设计以下的机制
• 将传输一个Bit的时间细分为多个阶段，每一段时长为若干Tq（最小的时间单位）

分段

• SS 同步段 1Tq 边沿跳变应该发生在这一段时间里
• PTS 传播时间段 1~8Tq 实际上电平跳变时可能会有震荡，为了等待数据线上的电压稳定下来而设置
• PBS1 相位缓冲段1 1~8Tq
• PBS2 相位缓冲段2 2~8Tq 通过调整PBS1和PBS2的时间长短，控制采样点的前后

硬同步（帧开始时同步）

• 开始发送，发送方开始计时，在SS时间段中将数据线驱动为逻辑低电平
• 在检测到SOF (Start Of Frame)下降沿时，接收方同步开始从SS段计时

再同步（逻辑电平跳变边沿不在SS段时再同步）

• 除了帧开始时的第一个下降沿，后续每个数据位都可以进行再同步
• 如果逻辑跳变发生在SS段前或后，则对应增加PBS1或者减少PBS2
• SJW：最大补偿的Tq数，用于防止单次补偿过度

STM32 CAN外设

发送

• 三个发送缓存（邮箱）
• CAN外设自动在总线空闲时从三个邮箱中选择一个进行发送
• 可以配置优先级TXFP (TX Fifo Priority)
  • 1: 先请求先发送
  • 0: 按报文ID优先级发送
• 如果发送失败，可以配置NART (Not Allow ReTransmit)=1禁止自动重传

一个邮箱的状态图如下：

• RQCP：发送请求已经完成

• TXOK：发送成功

• TME：发送邮箱空

• ABRQ：终止发送

接收

• 两个三级接收FIFO缓存（邮箱）
• CAN外设接收到报文，进入过滤器匹配
• 如果报文符合过滤条件，则会被放入过滤器指定的一个FIFO
• 如果FIFO已满，有新的报文到达，可以配置RFLM (Recieve Fifo Lock Mode)
  • 1: FIFO上锁，新到来的报文被丢弃
  • 0: FIFO未上锁，丢弃队列中末尾（最晚到达）的报文，再放入新的报文

一个三级接收FIFO的状态图如下

过滤器

每一个过滤器有两个32位的寄存器，和以下几个过滤器配置位

• FSCx(Filter Bank Scale)：

  • 0: 每个过滤器使用4个16位寄存器，仅支持标准CAN地址长度 （将32位的寄存器拆成两个16位的使用，能更好的利用资源）
  • 1: 每个过滤器使用2个32位寄存器，支持标准和扩展CAN地址长度

• FBMx(Filter Bank Mode):

  • 0: 掩码模式 将新收到的报文ID和过滤器中的ID进行比较，但是仅比较Mask中为1的位（类似IP地址掩码）
  • 1: 列表模式 将新收到的报文ID和过滤器中的ID进行比较，一个过滤器允许两个特定的报文ID

• FACT(Filter ACTive): 过滤器使能开关

• FFA(Filter Fifo Assignment): 通过过滤器的报文进入哪一个FIFO

掩码机制

配置为掩码模式时，过滤器将输入的报文ID和寄存器中的ID进行比较，但是仅比较二进制下，Mask中为1的位，其它位无论是什么都可以。

用公式来描述，满足以下公式的数据包，可以通过过滤器 CAN_ID & MASK == FILTER_ID & MASK

例子

• 屏蔽所有单数ID
  Filter = 0
  Mask = 1
• 接收 ID 范围在 0x100 ~ 0x1FF 的报文
  Filter = 000100000000
  Mask = 101100000000
• 接收 ID 为偶数且最高 4 位固定的报文
  Filter = 10100000
  Mask = 11110001
  表示最高 4 位必须匹配（必须是0x1010），中间 3 位可以忽略，最低位必须为 0（偶数）

DJI电机

分类

编码器和减速箱

编码器：可以读取某个旋转轴的角度/速度信息。

对于没有减速箱的电机（6020），编码器可以直接读出输出轴角度

对于包含减速箱的电机（2006/3508），编码器安装在动力未经过减速箱之前的位置上（电机屁股上）。此时会出现问题：编码器同一个位置对应着电机总体动力输出轴的不同位置。

CAN通信与报文

电机ID

为了能在一根总线上挂载多个电机，每个电机有一个唯一的电机ID，范围1~8共8个可用ID。

可以观察电调绿灯闪烁次数，得知当前设置的电机ID。设置电机ID的方式请参考对应电调的说明书。

[!NOTE]

注意区分电机ID和CAN报文ID

通信报文

电调说明书里详细描述了大疆电机的通信报文。

根据电机ID的不同，电调会接收某个CAN ID上的控制报文，并且将自己的实时状态用另一个CAN ID发送到总线上。控制报文(8字节)包括16bit的字段“转矩电流”，它正比于电机的输出力矩。反馈报文(8字节)包括角度、转速、实际转矩电流、温度多个字段。

GM6020电机比较特殊，旧固件只能控制“转矩电压”，新固件可以在RoboMaster Assistant软件中开启“转矩电流”控制。

为了节省CAN带宽，控制报文设计为一个报文可以控制四个电机。一个控制报文有8字节，包括4个16bit的转矩电流字段，对应电机ID为1~4或5~8的电机。也就是说，多个电调侦听同一个CAN ID上的控制报文，并且将自己的数据用独立的CAN ID反馈。