Шина CAN

Как работает шина CAN

Каждый узел шины состоит из двух частей. Контроллер протокола формирует и разбирает кадры, считает CRC, ведёт счётчики ошибок; он бывает встроенным в микроконтроллер (bxCAN в STM32) или отдельной микросхемой (MCP2515). Трансивер превращает логические сигналы контроллера TXD и RXD в дифференциальные уровни на линиях и обратно. Трансивер слушает шину всегда, в том числе пока сам передаёт: контроллер сравнивает каждый отправленный бит с тем, что видит на линии.

Сообщение получают все узлы, а нужно ли оно, каждый решает сам по идентификатору — обычно аппаратным фильтром контроллера. Спецификация Bosch подчёркивает следствие: в систему можно добавить узел, ничего не меняя в остальных, а одно сообщение одновременно используют сколько угодно получателей. По той же спецификации кадр принимают либо все узлы, либо ни один: если хотя бы один приёмник нашёл ошибку, он портит кадр флагом ошибки для всех, и передатчик повторяет его.

Доминантный и рецессивный уровни

У шины два состояния. Доминантное (логический 0) создаёт передатчик, рецессивное (логическая 1) — состояние, когда никто не передаёт. Если один узел выдаёт 0, а другой 1, на шине будет 0: доминантный бит перекрывает рецессивный, как в «монтажном И». На этом свойстве построены и арбитраж, и подтверждение приёма, и сигнализация ошибок.

Откуда взялся CAN: история и стандарты

• 1983 — в Bosch начинают разработку новой последовательной шины для автомобилей.
• Февраль 1986 — Bosch представляет CAN на конгрессе Общества автомобильных инженеров SAE.
• 1987 — первые микросхемы контроллеров: Intel 82526, вскоре Philips 82C200.
• 1991 — спецификация Bosch CAN 2.0: часть A описывает стандартный формат с 11-битным идентификатором, часть B добавляет расширенный формат с 29-битным. В том же году Mercedes-Benz начинает ставить CAN на автомобили высшего класса.
• 1992 — основана организация пользователей и производителей CAN in Automation (CiA), сейчас она ведёт CANopen и рекомендации по физическому уровню.
• Ноябрь 1993 — опубликован стандарт ISO 11898, в 1995 году к нему добавлен расширенный формат кадра.
• 2012 — Bosch публикует спецификацию CAN FD 1.0: длиннее поле данных и выше скорость в фазе данных.

Где применяется CAN

Texas Instruments в обзоре SLOA101 перечисляет легковые и грузовые автомобили, мотоциклы и снегоходы, поезда и автобусы, самолёты, сельскохозяйственную, строительную и горную технику, суда, а также автоматизацию зданий, медицинскую технику и производство. Типичный узор применения — много коротких сообщений вроде температуры или оборотов, которые нужны сразу нескольким узлам и должны дойти с гарантированной задержкой. Для длинной линии с опросом по схеме «ведущий — ведомые» проще и дешевле RS-485 с Modbus RTU; CAN выигрывает там, где узлы передают по событиям и важна аппаратная проверка каждого кадра.

Физический уровень: CAN_H, CAN_L и напряжения

В рецессивном состоянии передатчик выключен, и обе линии подтянуты к середине питания: у TJA1050 — через входные цепи приёмника с внутренним сопротивлением около 25 кОм к уровню VCC/2 (NXP, AN00020). Чтобы передать доминантный бит, передатчик поднимает CAN_H примерно на 1 В и опускает CAN_L примерно на 1 В — получается разность около 2 В. Приёмник смотрит только на разность CAN_H − CAN_L, поэтому помеха, наведённая на оба провода одинаково, на результат не влияет.

Значения в таблице — из даташита NXP TJA1051 (уровни и пороги) и обзоров TI SLOA101 и SLLA270 (синфазный диапазон ISO 11898). У других трансиверов цифры близкие, потому что все они следуют ISO 11898-2.

Отсюда главное отличие CAN от RS-485. Передатчик RS-485 активно выдаёт оба состояния, а передатчик CAN — только доминантное. Рецессивное состояние восстанавливается пассивно: ток разряжает ёмкость линии через терминаторы. TI в SLLA270 называет CAN по этой причине технологией с открытым коллектором и объясняет ею потолок в 1 Мбит/с для классического CAN. Без терминаторов фронт «доминант → рецессив» затягивается на время разряда ёмкости линии через входы приёмников, а у них десятки килоом.

Общий провод и синфазный диапазон

Приёмник различает уровни, только пока каждая линия относительно его собственной земли остаётся в синфазном диапазоне. ISO 11898 требует −2…+7 В — столько составляет допустимый сдвиг земель между узлами. Многие трансиверы держат больше, но на запас не стоит рассчитывать: без общего провода потенциалы земель удалённых узлов ничем не связаны. Поэтому в кабеле вместе с парой прокладывают общий провод CAN_GND, а TI в SLLA270 советует заземлять сеть в одной точке, чтобы по экрану и общему проводу не текли уравнивающие токи. Если земли узлов могут расходиться сильнее, ставят трансиверы с гальванической развязкой.

Топология, терминаторы 120 Ом и отводы

ISO 11898 описывает одну топологию — линию. Витая пара с волновым сопротивлением 120 Ом идёт от первого узла к последнему, на двух её физических концах стоят терминаторы по 120 Ом, узлы подключены к магистрали короткими отводами. По TI SLOA101, стандарт рассчитан на 1 Мбит/с при длине шины 40 м и до 30 узлов, а отвод без терминатора рекомендует не длиннее 0,3 м.

Терминаторы: сколько, где и как проверить

• Ровно два терминатора по 120 Ом, на двух концах линии. Вместе они дают 60 Ом — на такую нагрузку нормирован передатчик. Лишние терминаторы — в середине шины или на каждом узле — снижают доминантный уровень и искажают сигнал.
• Лучше в разъёме или отдельной заглушке, чем в узле. ISO 11898, по TI SLLA270, не рекомендует ставить терминатор внутри узла: если такой узел отключить, шина останется без согласования. На практике терминатор часто включают перемычкой на крайних платах — тогда её положение надо проверять при каждой перекомпоновке.
• Проверка омметром. При выключенном питании всех узлов сопротивление между CAN_H и CAN_L должно быть около 60 Ом — два резистора по 120 Ом параллельно, чуть меньше из-за входов трансиверов. 120 Ом — стоит только один терминатор, 40 Ом — три, единицы ом — замыкание.
• Мощность. В доминантном бите на терминаторе 120 Ом около 2 В, это примерно 33 мВт (по закону Ома: $P = U^2 / R$), так что резистор 0,25 Вт с допуском 5 % подходит. TI предупреждает о другом: при замыкании линии на бортовые 24 В такой резистор сгорит, поэтому там, где это возможно, выбирают мощность с запасом.

Для длинных линий CiA 303-1 рекомендует не только толще провод, но и большее сопротивление терминаторов — чтобы снизить потери сигнала на сопротивлении кабеля:

Кабель в той же рекомендации — 120 Ом, задержка 5 нс/м. Экран, если он есть, соединяют с землёй в одной точке (TI SLLA270).

Расщеплённый терминатор

Вместо одного резистора 120 Ом на конце линии ставят два по 60 Ом последовательно, а их среднюю точку соединяют с землёй через конденсатор. Для дифференциального сигнала ничего не меняется, а синфазная высокочастотная помеха уходит через конденсатор на землю — это улучшает электромагнитную совместимость. TI рекомендует резисторы 60 Ом с допуском 1 % — их разброс снижает помехоустойчивость — и конденсатор 4,7 нФ, NXP в AN00020 называет 10–100 нФ. Для TJA1050 NXP прямо рекомендует расщеплённый терминатор: по её измерениям он позволяет обойтись без синфазного дросселя. Среднюю точку можно дополнительно стабилизировать выводом трансивера: SPLIT у MCP2561 или Vref у SN65HVD230.

Отводы: почему 0,3 м и когда можно длиннее

Отвод — это кусок линии без терминатора, от его конца сигнал отражается. Чем короче фронт передатчика, тем короче допустимый отвод. TI в SLLA270 считает так: критическая длина линии — это когда задержка туда и обратно равна времени фронта, а отвод должен быть не длиннее трети критической длины. Для фронта 50 нс и кабеля 5 нс/м критическая длина — 5 м, отвод — до 1,67 м. Если замедлить фронты SN65HVD230 резистором 10 кОм на выводе Rs (фронт около 160 нс), допустимый отвод вырастает до 5,3 м.

Стандарты строже: ISO 11898 ограничивает отвод 0,3 м на 1 Мбит/с, автомобильный SAE J2284 рекомендует меньше 1 м (NXP, AN00020). CiA 303-1 даёт ориентир через битовый тайминг: длина одиночного отвода $L_u < t_\text{PROPSEG} / (50 \cdot t_p)$, где $t_p = 5$ нс/м. Звезду ни ISO 11898, ни SAE J2284 не описывают: NXP допускает её в автомобилях как вынужденную меру и советует проверять такую топологию моделированием или измерениями. J2284 к тому же рекомендует не располагать узлы через равные промежутки и не делать отводы одинаковой длины — чтобы не возникали стоячие волны.

Разъём DE-9 и цоколёвка по CiA 303-1

В промышленных сетях и у USB-адаптеров CAN часто ставят разъём DE-9 (его нередко называют DB9). Назначение выводов задаёт рекомендация CiA 303-1:

В автомобильном диагностическом разъёме OBD-II (SAE J1962) CAN_H — вывод 6, CAN_L — вывод 14, корпус и сигнальная земля — выводы 4 и 5, +12 В — вывод 16.

Скорость и длина линии CAN

Для линий длиннее 100 м TI предлагает осторожное правило: скорость в Мбит/с, умноженная на длину в метрах, — не больше 50. Для 1000 м это 50 кбит/с, и, по словам TI, лабораторные опыты с кабелем 120 Ом дали ту же цифру.

Почему длина ограничена: арбитраж и подтверждение

В RS-485 длину ограничивают затухание и искажение сигнала в кабеле. В CAN раньше упираются в задержку: все узлы участвуют в каждом бите одновременно. Во время арбитража передатчик должен увидеть доминантный бит самого дальнего узла в том же бите, а при подтверждении приёмник на другом конце линии успевает вставить ACK, пока передатчик ещё держит этот бит. Сигнал проходит путь туда и обратно: выход передатчика, кабель, вход дальнего приёмника, его контроллер, его передатчик, снова кабель и вход первого узла. Всё это должно уложиться в начало бита — до точки выборки.

Bosch формулирует это как условие для сегмента распространения битового времени (о сегментах — ниже):

где $t_\text{вых}$ и $t_\text{вх}$ — задержки узла на выходе и входе (контроллер и трансивер), $t_\text{линии}$ — задержка кабеля между двумя самыми удалёнными узлами, около 5 нс/м. Два примера из первоисточников:

• Microchip AN754: линия 50 м по 5,5 нс/м (275 нс), задержки приёмника 40 нс и передатчика 60 нс — в сумме 750 нс туда и обратно. Если бит состоит из 10 квантов и под распространение отдать 6 из них, квант — 125 нс, бит — 1,25 мкс, предел — 800 кбит/с.
• TI SLLA270: 10 м кабеля и узлы с цифровыми изоляторами (по 17 нс), задержкой контроллера 50 нс и трансивера по 100 нс на передачу и приём дают 618 нс туда и обратно, и это ещё без запаса на точность генераторов.

Длинную линию ограничивает и затухание: напряжение доминантного бита падает на сопротивлении кабеля и входных сопротивлениях узлов. NXP в AN00020 рекомендует считать оба ограничения — по задержке и по амплитуде — и брать меньшее из двух значений длины.

Формат кадра CAN

Спецификация Bosch знает четыре типа кадров: кадр данных, удалённый кадр — запрос данных, кадр ошибки и кадр перегрузки. Кадры данных и удалённые бывают стандартными, с 11-битным идентификатором, и расширенными, с 29-битным.

Подробности, которые пригодятся при чтении осциллограмм и отладке:

• Идентификатор. По спецификации Bosch семь старших битов стандартного идентификатора не могут быть все рецессивными, поэтому значения 0x7F0–0x7FF запрещены.
• Расширенный кадр. После 11 бит базового идентификатора идут рецессивный бит SRR (на месте RTR) и рецессивный IDE, затем 18 бит расширения, RTR и два резервных бита r1 и r0. Расширенный идентификатор — это 29 бит: базовая часть ID28–ID18 и расширение ID17–ID0.
• Удалённый кадр запрашивает данные: в нём RTR рецессивный, поля данных нет, а DLC равен длине ожидаемого ответа. Узел, у которого есть данные с таким идентификатором, отвечает кадром данных.
• DLC. CAN 2.0 допускает 0–8 байт, «другие значения использовать нельзя». Коды 9–15 позже получили смысл в CAN FD.
• CRC — остаток от деления на образующий полином $x^{15} + x^{14} + x^{10} + x^8 + x^7 + x^4 + x^3 + 1$ (0x4599) последовательности от SOF до конца данных без вставленных битов. По Bosch механизмы контроля обнаруживают все глобальные ошибки, любые 5 случайных искажённых битов в кадре, пакеты ошибок короче 15 бит и любое нечётное число ошибок; вероятность пропустить искажённый кадр — меньше 4,7·10⁻¹¹ от доли искажённых кадров.
• ACK. Передатчик выдаёт в слоте ACK рецессивный бит, а каждый приёмник, получивший кадр с правильной CRC, перекрывает его доминантным. Подтверждение значит «кадр принят без ошибок хотя бы одним узлом», а не «получатель обработал данные».
• Когда кадр считается доставленным. Для передатчика — если до конца EOF не было ошибок, для приёмника — до предпоследнего бита EOF. Испорченный кадр передатчик повторяет сам, как только шина освободится.

Битстаффинг: пять одинаковых битов

В CAN нет отдельного такта: приёмник подстраивает свой битовый генератор по фронтам сигнала. Чтобы фронты были, передатчик после каждых пяти одинаковых битов вставляет один противоположный (bit stuffing), а приёмник его удаляет. Правило действует от SOF до конца последовательности CRC. Разделитель CRC, поле ACK и EOF имеют фиксированную форму и не дополняются, кадры ошибки и перегрузки — тоже. Шесть одинаковых битов подряд в поле со вставками — это ошибка заполнения, и на этом построен флаг ошибки: шесть доминантных битов, нарушающих правило.

Вставленные биты удлиняют кадр, и в худшем случае ощутимо. Стандартный кадр с 8 байтами данных — 108 бит от SOF до EOF плюс 3 бита межкадрового интервала, всего 111. Под правило попадают 98 из них, от SOF до конца CRC. Первая вставка возможна после 5 бит, следующие — каждые 4 бита, потому что вставленный бит начинает новую серию. Отсюда до ⌊(98 − 1) / 4⌋ = 24 вставок и до 135 бит на кадр. Для расширенного кадра с 8 байтами — от 131 до 160 бит.

Диапазоны — от кадра без вставленных битов до худшего случая с 24 вставками. Bosch советует не загружать шину на 100 %: узлу в состоянии error passive, чтобы правильно завершить кадр ошибки, может понадобиться свободная шина в течение не меньше 3 битов.

Арбитраж: почему меньший идентификатор важнее

Передавать можно, только когда шина свободна. Если несколько узлов начали кадр одновременно, все они передают биты идентификатора и сравнивают каждый с тем, что видят на шине. Пока уровни совпадают, передача продолжается. Узел, который выдал рецессивную единицу, а увидел доминантный ноль, проиграл: по спецификации Bosch он прекращает передачу, «не отправляя больше ни одного бита», и становится приёмником. Кадр победителя не искажается и не задерживается, а проигравшие повторят попытку, когда шина освободится.

Отсюда правила, которые нужно учитывать при назначении идентификаторов:

• Меньший идентификатор — выше приоритет. Идентификатор из одних нулей держит шину в доминанте дольше всех и всегда выигрывает. Приоритеты раздают по важности: в примере TI сообщения тормозной системы получают меньший идентификатор, чем указатели поворота.
• Кадр данных сильнее удалённого кадра с тем же идентификатором: у первого RTR доминантный.
• Стандартный кадр сильнее расширенного с тем же базовым идентификатором: на месте RTR расширенный кадр передаёт рецессивный SRR.
• Идентификаторы передатчиков должны быть уникальными. Арбитраж решается только идентификатором и битом RTR. Если два узла одновременно отправят кадр данных с одинаковым идентификатором и разными данными, на первом несовпадающем бите данных один из них получит ошибку бита, и кадр будет испорчен.

Арбитраж решает и задачу доступа, и задачу приоритета без единого лишнего бита. Цена — та самая связь скорости и длины линии: все узлы должны видеть один и тот же бит одновременно.

Обработка ошибок: TEC, REC, error passive и bus-off

Пять типов ошибок

Узел, обнаруживший ошибку, со следующего бита передаёт флаг ошибки; при ошибке CRC — после разделителя ACK. Активный флаг — шесть доминантных битов подряд: он нарушает правило заполнения или форму кадра, поэтому ошибку видят все узлы и отвечают своими флагами. Наложенные флаги дают на шине от 6 до 12 доминантных битов, за ними — разделитель из 8 рецессивных. Пассивный флаг — шесть рецессивных битов, и сам по себе чужой кадр он не портит. По Bosch от обнаружения ошибки до начала следующего кадра проходит не больше 31 бита, если ошибок больше нет.

Счётчики TEC и REC

Каждый узел ведёт два счётчика: ошибок передачи TEC и ошибок приёма REC. Главные правила из спецификации Bosch:

Исключения из правила «TEC + 8»: передатчик в состоянии error passive, который получил ошибку подтверждения и не увидел доминантного бита во время своего пассивного флага, и ошибка заполнения в поле арбитража, когда вставленный рецессивный бит прочитан как доминантный. В этих случаях TEC не меняется.

Состояния узла

Из bus-off узел возвращается в error active со сброшенными счётчиками после того, как увидит на шине 128 раз по 11 рецессивных битов подряд. MCP2515 делает это сам, без участия программы; bxCAN в STM32 — автоматически, если установлен бит ABOM, а иначе только по запросу программы. Bosch отмечает, что счётчик больше примерно 96 указывает на сильно зашумлённую шину; MCP2515 и bxCAN выставляют при этом флаг предупреждения.

Из правил следует поведение, которое сбивает с толку при первом запуске. Узел один на шине, его кадр никто не подтверждает. Каждая попытка — ошибка подтверждения и TEC + 8, после 16 попыток TEC = 128, и узел становится error passive. Дальше срабатывает исключение: TEC больше не растёт, и узел повторяет кадр бесконечно, но в bus-off не уходит — спецификация Bosch оговаривает это отдельно. Некоторые руководства, в том числе TI SLLA270, пишут, что такой узел уйдёт в bus-off, — это расходится со спецификацией.

Битовый тайминг: кванты, сегменты и точка выборки

У CAN нет тактовой линии, и каждый узел сам отмеряет биты от своего генератора. Генераторы разных узлов немного отличаются, а сигнал приходит с задержкой. Поэтому бит делят на кванты времени и в нужных местах оставляют запас.

Квант времени получают делением тактовой частоты контроллера: $t_q = k / f$, где $k$ — коэффициент делителя. Битовое время по спецификации Bosch состоит из четырёх сегментов:

• Sync_Seg — 1 квант. В нём ожидается фронт бита.
• Prop_Seg — 1–8 квантов. Компенсирует задержки распространения в сети, по Bosch — вдвое больше суммы задержки линии, входного компаратора и выходного драйвера.
• Phase_Seg1 — 1–8 квантов. В его конце — точка выборки, где контроллер читает уровень бита.
• Phase_Seg2 — остаток бита после точки выборки. Он не короче времени обработки (Information Processing Time, до 2 квантов).

Контроллер по Bosch должен поддерживать от 8 до 25 квантов на бит. Скорость и точка выборки:

В большинстве контроллеров Prop_Seg и Phase_Seg1 объединены в один параметр TSEG1 (у bxCAN — BS1), а Phase_Seg2 называется TSEG2 (BS2). Для работы контроллера важна только их сумма — от неё зависит положение точки выборки.

Синхронизация и SJW

По фронту SOF после простоя шины все узлы выполняют жёсткую синхронизацию: начинают отсчёт бита заново. Дальше на каждом фронте из рецессива в доминант, но не чаще одного раза за бит, идёт пересинхронизация: если фронт пришёл позже ожидаемого, Phase_Seg1 удлиняется, если раньше — Phase_Seg2 укорачивается. Величину поправки ограничивает SJW (Synchronization Jump Width) — от 1 до 4 квантов и, по Bosch, не больше Phase_Seg1. Битстаффинг гарантирует фронты для этой подстройки внутри кадра.

Допуск частоты генератора

Bosch приводит два условия для допустимого отклонения частоты каждого генератора от номинала $\Delta f$; выполняться должны оба:

Наибольший допуск, 1,58 %, даёт комбинация Prop_Seg = 1 и Phase_Seg1 = Phase_Seg2 = SJW = 4 при 10 квантах. Но на распространение тогда остаётся всего 10 % бита, и Bosch оценивает её годной до 125 кбит/с при шине 40 м. Именно поэтому спецификация CAN 2.0 допускает керамические резонаторы примерно до 125 кбит/с, а на полной скорости требует кварц. Для бита из 16 квантов с Phase_Seg2 = 2 и SJW = 1 второе условие даёт 1 / 320 ≈ 0,31 % — кварцевому генератору этого хватает с большим запасом.

Где ставить точку выборки

Поздняя точка выборки оставляет больше времени на распространение сигнала и на затухание звона после фронта. Ранняя оставляет длиннее Phase_Seg2, а с ним и больший допустимый SJW — запас на расхождение генераторов. Bosch требует главного: точка выборки должна быть одинаковой у всех узлов сети. Для сетей CANopen рекомендация CiA 301 — 87,5 % на всех стандартных скоростях; допустимый диапазон — 75–90 % на 1 Мбит/с и 800 кбит/с и 85–90 % на 500 кбит/с и ниже. Microchip в даташите MCP2515 называет более раннюю типичную точку, 60–70 %, но для смешанной сети ориентируйтесь на CiA. Драйвер CAN в Linux, если точку выборки не задать, берёт 87,5 % до 500 кбит/с, 80 % до 800 кбит/с и 75 % выше.

Регистры MCP2515: CNF1, CNF2 и CNF3

В MCP2515 квант задаёт поле BRP: $t_q = 2 \cdot (\text{BRP} + 1) / f_\text{OSC}$, BRP = 0–63. Сегменты — Prop_Seg 1–8, PS1 1–8, PS2 2–8 квантов, SJW 1–4. Даташит добавляет правила: Prop_Seg + PS1 ≥ PS2, Prop_Seg + PS1 ≥ T_DELAY (обычно 1–2 кванта) и PS2 больше SJW. Все поля хранят значение на единицу меньше длины сегмента.

Примеры:

• Пример из даташита: кварц 20 МГц, BRP = 4 — квант 500 нс, 16 квантов на бит дают 125 кбит/с. Сегменты: синхронизация 1, Prop_Seg 2, PS1 7, PS2 6, SJW 1, точка выборки — 10 из 16 квантов, 62,5 %. Регистры: CNF1 = 0x04, CNF2 = 0xB1, CNF3 = 0x05.
• Кварц 16 МГц, 500 кбит/с, 87,5 %: BRP = 0, квант 125 нс, 16 квантов = 1 + 6 + 7 + 2. Регистры: CNF1 = 0x00, CNF2 = 0xB5, CNF3 = 0x01. Те же значения даёт алгоритм драйвера Linux.
• Кварц 8 МГц: при BRP = 0 квант 250 нс. На 500 кбит/с в бите только 8 квантов, и из-за PS2 ≥ 2 точка выборки не позже 75 %. 1 Мбит/с недостижим вовсе: на бит пришлось бы 4 кванта, а MCP2515 нужно не меньше 5 — потолок с таким кварцем 800 кбит/с.

Регистр CAN_BTR в STM32 (bxCAN)

В bxCAN, по RM0008, $t_q = (\text{BRP} + 1) \cdot t_\text{PCLK}$, где PCLK — частота шины APB1, у STM32F103 она не выше 36 МГц. BRP занимает 10 бит, поэтому делитель от 1 до 1024. Сегмент BS1 объединяет Prop_Seg и Phase_Seg1 и программируется от 1 до 16 квантов, BS2 — от 1 до 8, SJW — от 1 до 4. Регистр CAN_BTR: SJW − 1 в битах 25–24, BS2 − 1 в битах 22–20, BS1 − 1 в битах 19–16, BRP в битах 9–0; бит 31 включает режим «только приём», бит 30 — петлю. Значение после сброса — 0x01230000: SJW 2 кванта, BS2 3, BS1 4 кванта, делитель 1.

Пример: PCLK1 = 36 МГц, 500 кбит/с. Делитель 9 даёт квант 250 нс и 8 квантов на бит — BS1 = 6, BS2 = 1, точка выборки ровно 87,5 %, CAN_BTR = 0x00050008. Если нужен SJW = 2, BS2 = 1 уже мало, и подойдёт делитель 4: 18 квантов, BS1 = 15, BS2 = 2, точка выборки 88,9 %, CAN_BTR = 0x011E0003. В библиотеке HAL те же числа задают полями Prescaler, TimeSeg1 (CAN_BS1_15TQ), TimeSeg2 (CAN_BS2_2TQ) и SyncJumpWidth (CAN_SJW_2TQ) структуры CAN_InitTypeDef.

Калькулятор битового тайминга CAN

Выберите контроллер и введите частоту тактирования, скорость шины, нужную точку выборки и SJW. Калькулятор переберёт все делители, найдёт настройку с точной скоростью и ближайшей точкой выборки, проверит правила контроллера и покажет значения регистров. Ниже результата — другие варианты с той же скоростью: например, с большим числом квантов.

Проверка: результат совпадает с примерами из даташита MCP2515 и с алгоритмом подбора драйвера Linux для MCP2515 и bxCAN. Главное правило остаётся тем же: у всех узлов шины должны совпадать скорость и, по возможности, точка выборки.

CAN FD: до 64 байт и вторая скорость

Спецификацию CAN with Flexible Data-Rate Bosch опубликовала в 2012 году. Задача — передавать больше данных за кадр и быстрее, не меняя физический уровень: те же трансиверы по ISO 11898-2, та же топология и тот же арбитраж. В кадре CAN FD:

• Новые биты управления. Рецессивный бит EDL отличает кадр CAN FD от классического: в классическом кадре на этом месте доминантный r0. Бит BRS решает, переключать ли скорость, ESI сообщает, находится ли передатчик в состоянии error passive. Вместо RTR передаётся доминантный резервный бит, поэтому удалённых кадров в CAN FD нет.
• Две скорости. Арбитраж и конец кадра — ACK и EOF — идут на номинальной скорости. Если BRS рецессивный, после него и до разделителя CRC контроллер работает на второй, более высокой скорости. Для второй скорости у контроллера свой набор параметров битового тайминга.
• До 64 байт данных. Коды DLC 0–8 значат то же, что в CAN 2.0, остальные — более длинные поля данных.
• Длиннее CRC. CRC-17 для полей данных до 16 байт и CRC-21 для более длинных, оба с расстоянием Хэмминга 6; вставленные биты здесь входят в расчёт CRC.

Совместимость односторонняя. Контроллер CAN FD работает с классическими узлами, пока не отправляет кадры CAN FD. Классический контроллер кадр CAN FD не понимает, поэтому Bosch предлагает на время обмена в формате FD держать такие узлы в дежурном режиме. MCP2515 и bxCAN — классические контроллеры. Трансивер тоже должен выдерживать скорость фазы данных: у TJA1051 временные параметры гарантированы для CAN FD до 5 Мбит/с.

Есть и тонкость с версиями. Стандарт ISO 11898-1 описывает CAN FD с дополнительной защитой: в поле CRC добавлен счётчик вставленных битов. Контроллеры по исходной спецификации Bosch 1.0, так называемые non-ISO CAN FD, с ISO-версией несовместимы (CiA), поэтому вариант протокола должен совпадать у всех узлов сети.

Трансиверы CAN

Нижняя граница скорости — не опечатка. Трансиверы защищают шину от зависшего контроллера: если TXD держится в нуле дольше таймаута, передатчик отключается. Таймаут ограничивает самый длинный допустимый доминантный участок, а значит, и минимальную скорость — для медленных сетей на 10 кбит/с трансивер нужно выбирать по этому параметру.

Все пять микросхем выпускаются в 8-выводном корпусе с одинаковым назначением основных выводов: 1 — TXD, 2 — GND, 3 — VCC, 4 — RXD, 6 — CANL, 7 — CANH. Выводы 5 и 8 различаются, и при замене одного трансивера другим проверяют именно их:

• Вывод 8 — S у TJA1050 и TJA1051 (высокий уровень — режим «только приём»), Rs у MCP2551 и SN65HVD230 (на землю — обычный режим, высокий уровень — дежурный), STBY у MCP2561/2. У MCP2561/2 STBY внутри подтянут к питанию, поэтому неподключённый вывод оставит трансивер в дежурном режиме. Надёжный вариант для всех — вывод 8 на землю или на вывод микроконтроллера.
• Вывод 5 — выход опорного напряжения Vref у TJA1050, MCP2551 и SN65HVD230, не подключён у TJA1051T, вход питания логики VIO у TJA1051T/3 и MCP2562, выход SPLIT у MCP2561, вход EN у TJA1051T/E. VIO и EN обязательно подключают, иначе трансивер не работает.

Контроллеры: MCP2515, bxCAN и FDCAN

MCP2515: CAN по SPI

MCP2515 — самостоятельный контроллер CAN 2.0B для микроконтроллеров без своего CAN. Он подключается по SPI (до 10 МГц, режимы 0,0 и 1,1), принимает и передаёт стандартные и расширенные кадры данных и удалённые кадры на скорости до 1 Мбит/с. Внутри — три буфера передачи, два буфера приёма, шесть фильтров и две маски на 29 бит. Питание — 2,7–5,5 В; частота кварца — до 40 МГц при питании 4,5–5,5 В и до 25 МГц при 2,7–5,5 В. Трансивера в MCP2515 нет, его ставят отдельно.

Схема для микроконтроллера на 3,3 В. MCP2515 питается от 3,3 В, тогда уровни SPI совпадают с микроконтроллером. Шинная часть MCP2562 питается от 5 В, а вывод VIO — от 3,3 В, и трансивер принимает и выдаёт 3,3-вольтовую логику. STBY соединён с землёй — нормальный режим; если подключить его к выводу МК, трансивер можно переводить в дежурный режим. Кварц 8 МГц с конденсаторами 22 пФ — значения из таблицы 8-2 даташита. Вывод RESET подтянут к питанию, а после включения программа подаёт команду сброса по SPI. Терминатор 120 Ом ставится только на двух крайних узлах шины.

На распространённых готовых модулях стоят MCP2515 и трансивер TJA1050 с питанием 5 В, часто с кварцем 8 МГц и перемычкой терминатора. С таким модулем нужно помнить о трёх вещах:

• Частота кварца. Её задают в программе — библиотеке или своему коду. Если библиотека считает, что кварц 16 МГц, а на плате 8 МГц, скорость окажется вдвое ниже заданной, и шина заполнится кадрами ошибок. Маркировку кварца проверьте на плате.
• Предел скорости. С кварцем 8 МГц MCP2515 не работает на 1 Мбит/с — это следует из правил его битового тайминга (см. выше).
• Логика 5 В. TJA1050 питается только от 5 В, и выход RXD у него поднимается до 5 В. NXP в AN00020 прямо пишет: микросхемы на 3,3 В, подключённые к TJA1050, должны допускать 5 В на этих выводах. Если MCP2515 на модуле тоже питается от 5 В, на 5 В будет и линия MISO. Для микроконтроллеров на 3,3 В без допуска 5 В на входах нужен трансивер вроде MCP2562 с VIO, отдельный трансивер на 3,3 В или согласование уровней.

После сброса MCP2515 находится в режиме конфигурации — только в нём можно записать CNF1–CNF3, — и переходит в нормальный режим по запросу через регистр CANCTRL. Пример инициализации на 500 кбит/с с кварцем 16 МГц:

#include <stdint.h>

/* MCP2515 SPI instructions and registers, DS20001801J */
#define MCP_RESET    0xC0
#define MCP_READ     0x03
#define MCP_WRITE    0x02
#define MCP_CANSTAT  0x0E
#define MCP_CANCTRL  0x0F
#define MCP_CNF3     0x28
#define MCP_CNF2     0x29
#define MCP_CNF1     0x2A

/* Board-specific: SPI mode 0, chip select and a delay */
extern void    cs_low(void);
extern void    cs_high(void);
extern uint8_t spi_transfer(uint8_t byte);
extern void    delay_ms(uint16_t ms);

static void mcp_write(uint8_t reg, uint8_t value)
{
    cs_low();
    spi_transfer(MCP_WRITE);
    spi_transfer(reg);
    spi_transfer(value);
    cs_high();
}

static uint8_t mcp_read(uint8_t reg)
{
    cs_low();
    spi_transfer(MCP_READ);
    spi_transfer(reg);
    uint8_t value = spi_transfer(0x00);
    cs_high();
    return value;
}

/* 16 MHz crystal, 500 kbit/s, sample point 87.5 %, SJW = 1 */
int mcp2515_init(void)
{
    cs_low();
    spi_transfer(MCP_RESET);               /* reset: configuration mode */
    cs_high();
    delay_ms(1);                           /* oscillator start-up timer: 128 OSC1 cycles */

    if ((mcp_read(MCP_CANSTAT) & 0xE0) != 0x80)
        return -1;                         /* no answer or not in configuration mode */

    mcp_write(MCP_CNF1, 0x00);             /* SJW = 1, BRP = 0: TQ = 125 ns */
    mcp_write(MCP_CNF2, 0xB5);             /* BTLMODE = 1, PS1 = 7, PropSeg = 6 */
    mcp_write(MCP_CNF3, 0x01);             /* PS2 = 2 */

    mcp_write(MCP_CANCTRL, 0x00);          /* REQOP = 000: normal mode, CLKOUT off */
    for (uint16_t i = 0; i < 1000; i++)
        if ((mcp_read(MCP_CANSTAT) & 0xE0) == 0x00)
            return 0;                      /* normal mode reached */
    return -2;
}

Для отладки у MCP2515 есть режимы loopback — кадры не выходят на шину и сразу возвращаются в приёмник — и listen-only — только приём, без подтверждений и флагов ошибок. Счётчики ошибок читаются из регистров TEC (0x1C) и REC (0x1D), состояние — из EFLG (0x2D): там флаги error passive, bus-off и предупреждения при 96 ошибках.

bxCAN и FDCAN в STM32

У многих микроконтроллеров контроллер CAN встроенный, и снаружи нужен только трансивер: выводы CAN_TX и CAN_RX — это обычные логические сигналы, к шине их подключать напрямую нельзя. В STM32F1 и ряде других серий это модуль bxCAN — классический CAN 2.0A и 2.0B. Расчёт его регистра CAN_BTR разобран выше. Ограничение STM32F103: по RM0008, USB и CAN делят общие 512 байт памяти, поэтому одновременно их использовать нельзя.

В семействах с поддержкой CAN FD модуль называется FDCAN — по application note ST AN5348, например, в сериях STM32G4 и STM32H7. Как у любого контроллера CAN FD, у него два набора параметров битового тайминга: для номинальной скорости и для фазы данных.

Протоколы поверх CAN: CANopen, J1939, OBD-II

CAN задаёт кадр и правила доступа, но не смысл данных. Смысл определяют протоколы верхнего уровня.

CANopen (CiA 301, европейский стандарт EN 50325-4) — промышленная автоматика, приводы, датчики, медицинская техника. По умолчанию используются стандартные кадры; 11-битный идентификатор складывается из 4-битного кода функции и 7-битного номера узла от 1 до 127. Стандартный набор идентификаторов, по HMS:

Скорость выбирают из стандартного ряда CiA 301 — по HMS это 1 Мбит/с, 800, 500, 250, 125 и 50 кбит/с — с рекомендованной точкой выборки 87,5 %.

SAE J1939 — тяжёлая техника: грузовики, автобусы, спецтехника. Используются расширенные кадры с 29-битным идентификатором, в который входит номер группы параметров PGN. Скорость — 250 кбит/с по J1939/11 и J1939/15, 500 кбит/с по J1939/14.

OBD-II поверх CAN (ISO 15765-4) — диагностика легковых автомобилей; в США CAN обязателен как один из протоколов OBD-II с 2008 года. Скорость — 250 или 500 кбит/с. В варианте с 11-битными идентификаторами сканер отправляет запрос всем блокам с идентификатором 0x7DF или конкретному блоку — 0x7E0…0x7E7, а блоки отвечают с идентификаторами 0x7E8…0x7EF. Выводы разъёма приведены выше.

Типичные ошибки и отладка

Как проверить линию CAN

1. Омметр, питание выключено. Между CAN_H и CAN_L около 60 Ом — оба терминатора на месте. 120 Ом — одного не хватает, 40 Ом — стоит лишний, близко к нулю — замыкание.
2. Мультиметр, шина в простое. Каждая линия относительно общего провода — около 2,5 В, разность — около нуля. Если обе линии около 0 В, ни один трансивер не запитан.
3. Осциллограф во время обмена. Два канала на CAN_H и CAN_L относительно общего провода и математика «разность» или дифференциальный пробник. В доминанте разность около 2 В, в рецессиве — около нуля. Проверьте длительность бита (2 мкс на 500 кбит/с), бит ACK в конце кадра и отсутствие звона к точке выборки. Шесть доминантных битов подряд посреди кадра — флаг ошибки.
4. Счётчики и код последней ошибки. У MCP2515 — регистры TEC, REC и EFLG. У bxCAN в регистре CAN_ESR, кроме счётчиков, есть поле LEC с кодом последней ошибки: 1 — заполнения, 2 — формы, 3 — подтверждения, 4 и 5 — ошибка бита рецессивного и доминантного, 6 — CRC. Растущий TEC при нулевом REC обычно значит, что кадры этого узла никто не подтверждает.
5. Логический анализатор — на TXD и RXD трансивера, а не на линии. Там чистые логические уровни, и декодер CAN в анализаторе сразу покажет идентификаторы, данные и ошибки.

Дальше по теме: RS-485 — когда нужна длинная линия с опросом узлов ведущим, SPI — интерфейс, по которому подключается MCP2515, I²C — для связи микросхем внутри платы. Остальные интерфейсы — в разделе интерфейсы, микроконтроллеры с CAN — в разделе «Микроконтроллеры».