CAN基礎內容詳解（二）——物理層

物理層主要完成設備間的信號傳送，把各種信號轉換成物理信號，並將這些信號傳輸到其他目標設備。在這一層中，CAN-bus對信號電平、通信時使用的電纜及連接器等進行了詳細規定。
CAN-bus由ISO標準化後發佈了兩個標準，分別是ISO11898（125kpbs~1Mbps的高速通信標準）和ISO11519（小於125kpbs的低速通信標準）。這兩個標準僅在物理層不同，在數據鏈路層是相同的。

CAN收發器與信號電平

位於CAN-bus物理層的器件要完成邏輯信號與電纜上物理信號的轉換，該器件稱爲收發器。
如下圖所示爲CAN收發器的引腳圖。

1、發送時將邏輯信號轉換成物理信號，此收發器轉換得到的信號爲差分電平信號。
2、接收時將物理信號轉換成邏輯信號，此收發器將差分電平信號轉換爲邏輯信號。

CAN-bus使用兩根電纜進行信號傳輸，分別爲CAN_High和CAN-Low（簡稱CAN_H和CAN_L）。
CAN收發器根據兩根電纜之間的電壓差來判斷總線電平，這種傳輸方式稱爲“差分傳輸”。
電纜上的電平信號只有兩種可能，分別爲顯性電平（代表邏輯0）和隱形電平（代表邏輯1）
如下圖所示是ISO11898和ISO11519信號電平的對比


信號使用雙絞線進行傳輸，是因爲雙絞線上傳輸差分信號可以抑制共模干擾，能夠提高通訊的穩定性、可靠性和抗干擾的能力。

線與原理

如下左圖爲CAN收發器的引腳圖，其中CAN_H引腳在芯片裏面等效電路爲如下右圖所示

CAN收發器開路集電極和總線相連通過切換開關狀態輸出高低電平。

狀態1：截止狀態，晶體管截止（開關未接合）
無源：總線電平=1，電阻高
狀態0：接通狀態，晶體管導通（開關已接合）
有源：總線電平=0，電阻低

因爲所有的收發器的輸出開關都是並聯的，所以在總線上顯性電平具有優先權，只要有一個單元輸出顯性電平(低電平)，總線上即爲顯性電平(低電平)。而隱形電平(高電平)則具有包容的意味，只有所有的單元都輸出隱性電平(高電平)，總線上才爲隱性電平（顯性電平比隱性電平更強）。
CAN控制器在發送的同時，會監聽總線的當前電平是否與自己發送的電平一致，如果不一致則會進行相應的處理。如果不一致發生在仲裁域，就會迫使輸出隱形電平的節點退出發送；如果發生在其他區域，則會出現觸發錯誤。

同步與填充位

通信方式分爲兩種，同步串行通信與異步串行通信。CAN-bus屬於異步串行通信的方式。

異步串行通信的優點是減少了一根時鐘線，缺點是各接收器的時鐘不可能完全一致，總是會有偏差，有些偏快，有些偏慢，這些誤差會累積直到通信出錯。

如下圖所示爲標準波特率時採集的數據。

如下兩幅圖分別爲波特率偏大20%和波特率偏小20%時採樣的數據。


由上述幾幅圖可以看出，由於各接收器的時鐘可能會存在偏差，這就導致傳輸一兩個位時，誤差可能看不出來，但是傳輸的位數變多了之後，這些誤差會累積直到通信出錯。

那麼如何解決這個問題呢？
同步！
同步串行通信和異步串行通信的波形圖如下圖所示。
同步就像給鐘錶校時一樣，隔一段時間所有節點的時鐘就同步一次。這樣儘管大家的時鐘仍有誤差，但是可以消除累積誤差。
CAN-bus規定信號的跳變沿時刻進行同步，因此只要信號發生變化，節點時鐘就會被同步。如下圖所示，累積的誤差可以限制在兩個跳變沿之間，減少錯誤的發生。

然而這種同步方式又會帶來新的問題，比如說發送多個相同位時，並無跳變沿可用於同步，這樣就會導致誤差不斷累積，最後導致通信出錯。

那麼CAN-bus如何消除這種累積誤差？
CAN-bus通過位填充提供同步信號，從而消除累積誤差。CAN-bus規定，如果傳輸的信號連續5個位時相同的，就要插入一個電平相反的位，這個額外插入的位稱爲“填充位”。

接下來先讓我們瞭解一下位時間這個概念。
一個標稱的位時間=1/波特率

• 同步段用於同步各節點，正常情況下跳變沿落在此段內。
• 傳播段用於補償網絡內的傳輸延時。
• 相位緩衝段用來補償跳變沿的相位誤差，可以被再同步處理延長或縮短。
• 採樣點時刻讀取的電平代表這個位的電平，一般位於相位緩衝段1的結尾
• 信息處理時間是從採樣點開始留出的一段用於計算後續位電平的時間。
  
  只有採樣點設置正確了，我們才能進行正確的採樣，獲得正確的數據。
  不同的波特率下，1位時間的時間份額不相同，採樣點也不相同，如下圖爲不同波特率下的採樣點設置。
  
  不同波特率下的時間份額設置可參考下表。