单片机常用通信协议（二）

补充IIC和SPI的异同

• 相同点:
• 1. 均采用串行、同步的方式
• 2. 均采用TTL电平，传输距离和应用场景类似
• 3. 均采用主从方式工作
• 不同点:
• 1. IIC为半双工，SPI为全全双公
• 2. IIC有应答机制，SPI无应答机制
• 3. IIC通过向总线广播从机地址来寻址，SPI通过向对应从机发送使能信号来寻址
• 4. IIC的时钟极性和时钟相位固定，SPI的时钟极性和时钟相位可调

SPI传输快，不用发从机地址信号，不需要接收器应答。但是占用引脚比较多，每个从机都需要一个CS引脚。
IIC节省硬件资源，只要两根线即可进行通信。但是传输速度不快，需要发送从机地址信号以及接收器应答。
IIC的时钟极性和相位固定，SPI的时钟极性和相位是有四种方式可调的。

通信协议的对比

1. UART只要用于两个设备之间点对点的通信。
2. I2C主要用于一主多从通信（可多主），应用场景是单片机作为主控，外挂多个被动的传感器存储器模块设备。
3. SPI主要用于一主多从通信，通信速率最快，可以轻松达到Mbps，比CAN总线还快，SPI主要应用于高速通信的场景。
4. CAN可以实现多个主控的相互通信。
   UART只能用于两个设备之间进行通信，通信数量有限；IIC和SPI用于一主多从，通信时只能有一个主机。如果想要实现5个10个STM32主控单片机进行通信，上述通信模式均难以满足，此时就需要使用CAN总线进行通信。
   

CAN总线（Controller Area Network Bus）控制器局域网总线

CAN总线是由BOSCH公司开发的一种简洁易用、传输速度快、易扩展、可靠性高的串行通信总线，广泛应用于汽车、嵌入式、工业控制等领域

CAN总线特征：

• 两根通信线（CAN_H、CAN_L），线路少
• 差分信号通信，抗干扰能力强
• 高速CAN（ISO11898）：125k~1Mbps, <40m
• 低速CAN（ISO11519）：10k~125kbps, <1km
• 异步，无需时钟线，通信速率由设备各自约定
• 半双工，可挂载多设备，多设备同时发送数据时通过仲裁判断先后顺序
• 11位/29位报文ID，用于区分消息功能，同时决定优先级
• 可配置1~8字节的有效载荷（一次性最多可以发送8字节）
• 可实现广播式和请求式两种传输方式
• 应答、CRC校验、位填充、位同步、错误处理等特性

1、CAN的硬件电路

1. 个设备通过CAN收发器挂载在CAN总线网络上。单片机/CAN控制器--->CAN收发器--->CAN总线。
2. CAN控制器引出的TX和RX与CAN收发器相连，CAN收发器引出的CAN_H和CAN_L分别与总线的CAN_H和CAN_L相连。
3. 高速CAN使用闭环网络（因为CAN_H与CAN_L两端之间接了120Ω终端电阻形成了闭环回路），CAN_H和CAN_L两端添加120Ω的终端电阻。添加120Ω的终端电阻是为了：第一个，防止回波反射，高频信号和远距离传输，回波反射是不能忽略的问题。第二个，当总线上没有设备操作总线时，将两根传输线进行"收紧"使其电压一致。类似于上拉电阻，设备进行通信时，假如此时要发送数据1时，将原本数据线上的高电平状态拉低到低电平状态，当发送数据0时，将原本数据线进行释放不去操作数据线，线路默认由上拉电阻拉高置高电平。好处在于防止电平冲突，还可以实现"线与"的特性。
   
4. 低速CAN使用开环网络，CAN_H和CAN_L其中一端添加2.2kΩ的终端电阻。电阻的一段接入到总线，另一端保持悬空，此时这个电阻的作用是防止回波反射。
   

2、CAN的电平标准

CAN总线采用差分信号，即两线电压差（VCAN_H-VCAN_L）传输数据位

高速CAN规定：

• 电压差为0V时表示逻辑1 （隐性电平）
• 电压差为2V时表示逻辑0 （显性电平）

因为CAN_H和CAN_L的默认电平状态就是高电平，高电平在逻辑中表示的是1，但表示高电平逻辑为1时，CAN_H和CAN_L两端的电压差又没有任何的变化（相减为0V），所以被称为隐性电平，逻辑为1。逻辑0，显性电平相反。

低速CAN规定：

• 电压差为-1.5V时表示逻辑1 （隐性电平）
• 电压差为3V时表示逻辑0 （显性电平）
  

3、CAN的总线帧格式

CAN总线分为5种类型的帧格式，如下图所示。

主要学习数据帧即可，发送数据用的就是数据帧，其他数据帧了解即可。

4、数据帧

图中有三种色块：灰色色块D表示此时逻辑为0，CAN_H和CAN_L是一定被拉动的。紫色色块D/R表示此时可以是逻辑1也可以是逻辑0，根据数据位进行。白色色块R表示此时的逻辑为1，CAN_H和CAN_L是保持不动均为高电平。

数据包中的数据仅仅表示当前段数据有多少位，与逻辑无关。

1. 帧起始（SOF）部分：数据起始帧，将逻辑从1变成0表示，数据的起始帧。也就是隐性电平变成显性电平。
2. Identifier ID 报文ID部分，标准格式是11位。报文ID用于区分后面数据包的功能。根据仲裁规则还有优先级作用，当多个报文同时发送时，报文ID小的先发，报文ID大的后发。
3. RTR部分，表示远程请求标志位，用于区分数据帧还是遥控帧的。数据帧必须位显性逻辑0，遥控帧必须为隐形逻辑1。这里是数据帧所以是逻辑0。
   
4. 仲裁段，报文ID+RTR位，组成了仲裁段。仲裁主要靠ID实现，报文ID小的优先级高。RTR位加入的目的在于判断，相同报文ID的数据帧和遥控帧，数据帧的优先级大于遥控帧。
5. 控制段，IDE+r0+DLC。IDE表示ID的扩展标志位，用于区分标准格式还是扩展格式。标准格式固定为显性逻辑0，扩展格式固定为隐性逻辑1（两种格式解析不同，需要区分）。r0表示保留位，目前没有用到，后续升级可用。默认为显性逻辑0。DLC表示数据段的长度，CAN总线一次性可以发送1~8字节，在数据包中就是通过DLC位进行指定，例如想发一个字节DLC就发0001，如果想法八个字节就发1000。
6. 数据段，数据段的数据长度需要和前面DLC写入的位数进行对应。例如如果DLC写入一个字节0001，数据段就应该有8位数据。
7. CRC段，数据校验位。对前面所有的数据进行校验，即从SOF到Data。算出一个校验码赋在CRC段处，有15位。
8. CRC界定符，必须是隐性逻辑1电平。
9. ACK段，由ACK槽和ACK界定符组成。ACK槽的作用就是应答，发送方将数据全部传输后，若是有接收方接收了数据，此时就把总线上的电平拉低，使电平变成显性逻辑0，若不存在接收方则继续保持总线高电平状态，此时电平变成隐性逻辑1。用此方法发送方即可得知数据是否有被接收到。ACK界定符的用途是为了配合CRC界定符，给接收方有充足的时间用来拉低总线电平变化。
10. 扩展格式。扩展格式出现的原因是因为，报文ID不够用了，需要进行扩充。扩展格式是基于标准格式上的增加，增加了额外的18位Identifier（ID），再增加了SRR，r1，r0其他与标准格式相同。SRR是替代标准格式此处对应的RTR部分，SRR需要给默认的隐性电平1。下一位IDE的作用与标准格式相同，隐性逻辑1表示数据包使用的是扩展格式，显性逻辑0表示数据包使用的是标准格式。后续新增18位ID，RTR，r1，r0作用相同。

（5）遥控帧

• 遥控帧无数据段，RTR为隐性逻辑1，其他部分与数据帧相同。
• 使用情况为，接收方需要某个报文ID的数据，先在总线发送一个遥控帧。拥有此报文ID的发送方再发送一个数据帧，接收方此时就可以接收到相应的数据。
  
• CAN协议还未分享完，后续会继续分享，未完待续~

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