作者：嵌软小白呗
在上一章的《AUTOAR CP入门》中，我们大概了解一下Autosar和入门Autosar的方法。另外，上一章也说到，学习Autosar CAN通讯开发应该先学习跟逻辑相关的东西，这样更容易入门，等到入门之后，再往下学习CAN驱动相关的东西。
但是，总不能都搞CAN开发了，但是连CAN是什么东西，CAN通讯要怎么接线都不知道吧？
所以，接下来，我会先把CAN物理层的东西，并且是经常要实际用到的CAN物理层的知识讲一下。
另外，由于此时是CAN入门，关于CAN物理层的很多的深入的细节都会略过，比如错误帧、CAN报文的各个段、ACK等等，这些内容大部分都是要解决一些CAN问题时才用得到。而且，另外还有很多是CAN开发中基本用不上的概念，这篇文章就不那么深入讲解了。
如果一开始学习就全部概念都去看，大多是看的一知半解，而且学了这些概念对软件开发没有特别大的帮助，反而打击了学习信心和欲望。
实际上，等到后面接触多了CAN的东西，碰到相关问题时，自然就会有一种渴望去学习这些最底层的CAN相关知识。
CAN开发，CAN开发，所以肯定要先知道CAN是个什么东西。
首先，大家第一次真正接触CAN，是不是通过电脑CAN上位机软件看到很多的CAN数据在不断刷屏？
每个人用的设备可能不一样，但是都是一个CAN盒、两根CAN线（CANH/CANL）、一个终端电阻（或CAN盒自带终端电阻、或板子自带终端电阻）、一个板子、一台电脑。
没关系，下面我们从物理层面入手，把上面这张图拆解开。
实际上，我们的电脑和CAN盒就是一个模拟的CAN节点。
刚接触可能看不太懂上面的图，没关系，我们从这张图截取一个CAN节点来看，梳理一下CAN通信需要的硬件东西都有些什么，并且有什么用，然后就明白了：
注意它是一条双绞线，就是像麻花一样卷一起的两条线，数据是通过这两条线传输的。绞在一起目的是抗干扰的，为什么能抗干扰，我们下面马上讲到。
就是因为在这根双绞线的两头最远处才需要接的电阻，只需要两个就行了，每个120Ω。原因就难解释了，涉及到各种物理知识，我也不看的一知半解，我们目前只需要知道，CAN要正常通讯，一定要有这玩意就行。
这时，你想起来一开始那张图，好像只有一个终端电阻啊！
但是，你认真想了想，发现大家平时确实都这样接：单板接CAN盒然后再接一个120Ω的终端电阻，最后再把CAN盒接到电脑上。
那么，为什么明明CAN标准里的要求其实是CAN总线的两端各需要接一个终端电阻，即两个120Ω的终端电阻并联，总阻值为60Ω，但我们平时调试的时候只接了一个就能正常通讯了呢？
据我所知，CAN总线要正常通讯，并联1~4个终端电阻（总电阻120Ω~30Ω）都是能正常通讯的。终端电阻的使用与CAN总线的长度和CAN节点的放置有关系，在整车CAN总线规划的时候，终端电阻会根据CAN总线长度和节点的放置决定阻值。
而我们平时调试，只要能正常通讯就行了，要求不需要那么严格。
首先要知道：CAN数据是通过CANH和CANL的差分信号进行传输的。
看下面这张图，图中的是CANH和CANL进行数据传输时的电压情况：
隐性电平：CANH和CANL差值为0V时称为隐性电平(实际上，隐性电平的正常电压范围是：-0.5V~0.05V)，代表逻辑1。
显性电平：CANH和CANL差值为2V称为显性电平(实际上，显性电平的正常电压范围是：1.5V~3V），代表逻辑0（一般我都这么记：显灵显灵，逻辑0）。
另外，CAN通讯的目的就是传输数据嘛，而数据在芯片的世界里只能用逻辑0和逻辑1表示，但是CAN总线需要用两根线的差分信号表示逻辑0和逻辑1，怎么办呢？
接收数据时：把（CANH/CANL）的差分电平转换成逻辑电平，并通过RX引脚传给MCU的CANRX。这样MCU就收到CAN总线的数据了，像下面这样：
发送数据时：把CANTX发过来的逻辑电平，转换成（CANH/CANL）的差分电平发送出去。这样MCU就把数据发到CAN总线了，像下面这样：
好了，到现在为止，你应该明白了CAN总线的物理层是怎么一回事。
另外，我们上面还遗留一个双绞线为什么抗干扰的问题。
既然我们知道了CAN总线传输数据的方式是差分信号，那么你想想，由于我们的CANH和CANL是双绞线，出现干扰时就会同时干扰两条线，如下面这张图：
假设由于干扰导致CANH和CANL的电压都上升了1V。
CANH变成了4.5V，CANL变成了2.5V。但是：4.5V-2.5V还是等于2V。所以，这并不影响正常通讯。因此，双绞线是能抗干扰的。
好了，关于CAN总线要工作起来，物理层面所有需要的东西，我们总结一下：
①双绞线、②终端电阻、③收发器、④带有CAN控制器的MCU(这个入门先不管它，知道要有就行了)。
有这几样东西之后，只要我们MCU的CAN驱动代码是正常的，那么就能正常通讯了。
好了，了解了CAN物理层面都要些什么具体的东西之后，我们接下来看看什么是CAN报文。
02.什么是CAN报文（以标准CAN格式报文为例）
想起当时还没接触CAN的时候，听到别人提到CAN报文、CAN帧这些东西，总是在想，报文？帧？这什么东西。
大哥啊，我只是想知道什么是报文，感觉应该不难吧？？？为什么要讲得这么专业，生怕我入行抢饭碗是吧，还是，我太菜了，根本看不懂。。。
现在，按照我的理解，所谓的一帧CAN报文，通俗来讲就是：CAN节点发送到CAN总线的一个数据包。
如下图所示，图中有四帧CAN报文。（用示波器探头测量CANL或CANH）：
把这3张图一结合，是不是马上对CAN报文有了一个更深刻的认识？
可见，一帧CAN报文的组成还是挺多东西的，但是，对我们平时使用来说，我们只看到两个段：
2、数据段，也就是这一帧CAN报文具体传输的数据内容。
其它部分：帧起始、控制段、CRC段、ACK段、帧结束，这些是一帧报文固定有的东西，CAN盒在发送或接收报文时会按照CAN标准协议解析这些地方，对我们现在只是简单认识CAN报文和使用CAN报文，暂时不需要去深究它们。
实际上，我们经常接触的除了上面的标准CAN格式报文，还有另外3种常接触的CAN报文，如下图所示：
表中列出来的是平时应用过程中，对不同CAN格式报文我们需要知道的关键差异，对入门来说，只要知道这些就够了。
知道了什么是CAN报文，接下来，就要去看看CAN报文具体是怎么发到CAN总线了。
我们要知道，CAN数据传输方式是广播式的。也就是一对多，一个CAN节点发的CAN报文，其它CAN节点都能够接收到。
就像很多人在同一个房间一样，每个人什么时候都能说话，而且房间是正常大小，只要一个人正常说话，其他人都能听到。
因此，这里马上就能想到一个问题：如果两个节点同时往外发报文怎么办？
所以，CAN总线如果出现多个CAN节点同时发送报文时，会有仲裁机制。
仲裁发生的位置就在CAN报文的仲裁段（报文ID）上。
关于仲裁，我们这里有个结论：报文ID越小，优先级越高。
我们先认识一下“线与”的概念：显性覆盖隐性，当电路通路时，有一个端点接地（GND），那么整个电路电压就为零了。
因此：（逻辑电平0） & （逻辑电平1） = （逻辑电平0）
所以，我们举个例子就能理解为什么仲裁机制中，CANID越小，优先级越高了，如下图所示：两个CAN控制器同时发送CAN报文，当CANID发到第8位时，由于0x123的第8位是0，0x128的第8位是1，因此，CAN总线表现为逻辑0，0x123报文仲裁胜利。
那么，CAN控制器怎么就知道自己仲裁成功还是仲裁失败了？
所以，CAN控制器还有一个机制：发出数据时，会进行回读。
简单理解，就是CAN控制器通过TX脚发出一帧CAN报文的时候，会通过CAN控制器的RX脚进行回读，如果读到自己发出去的逻辑电平跟自己会读到的逻辑电平不一致，在仲裁段时就会停止发报文，在其它段则产生错误帧。
当发出0x128报文的节点发到CANID的第8位时，它发现，明明自己发出去的是逻辑电平1，但读回来就变成了逻辑电平0，因为总线电平被0x123的第8位拉成0。
仲裁失败的一方，则退出CAN报文的发送，等待仲裁胜利的报文发送完成后再次发送，若继续出现与其它节点同时发送报文的情况，则继续仲裁。
所以，依靠着仲裁机制，CAN总线上即便很多CAN节点接上去，然后任意发CAN报文都不会有啥问题了。
当知道了CAN的物理链路，了解了什么是CAN报文。
于是，你兴致勃勃的按照上面的接线方法，接好板子、接上CAN线，接好CAN线、还有终端电阻，再CAN盒接上电脑。
没办法，我们不知道是多少，只能问别人，于是，人家告诉你这这个板子的波特率是这么选。然后点击确认，报文就开始出来。
反正报文出来了就行，这个板子的波特率就这么选，记住就好了嘛。
但是，我们可是CAN开发工程师啊，可不能说连个波特率为啥要这么选都不知道啊。
首先，我们要知道仲裁域波特率是指哪个位置的波特率，数据域波特率又是指哪个位置的波特率。
仲裁域波特率（注意，仲裁域波特率并不是单指仲裁域，而是除去数据域的其它地方的波特率）：
另外，CAN格式的报文，数据域和仲裁域都是一样的波特率。所以，只要选一个仲裁域的就好了。
对于CANFD格式的报文，数据域和仲裁域是不同的波特率。所以，数据域和仲裁域的波特率都要选。
这就要根据代码里配置的波特率是多少了，而代码配置为多少，又是根据需求来的了。
实际上，波特率我是这样理解的：如波特率500k，即1秒/500k=2微秒，也就是说，最小2微秒可以进行一次电平变化，1秒最多可以电平变化500k次。（这个最小2us的一次变化的电平，这个叫做位时间）
可见，标准CAN格式报文的长度(物理层次)为：1+11+1+1+1+4+0（64）+15+1+1+1+7=44~108位。
我们上面还说了，500K波特率的话，位时间是2us。
所以，对于500K波特率的标准CAN格式报文，数据域长度为64bit时，我们在示波器可以看到是这样的：
即，一帧报文的时间长度是：108bit * 2us = 116us。
好了，关于仲裁域波特率和数据域波特率的认识就到这里了。
到这里为止，我们从CAN总线物理层需要的东西，到CAN报文是什么，再到CAN报文在CAN总线上的传输、到CAN波特率都大致了解了一遍。
这回是不是就明白了，我们从CAN上位机看到的CAN报文，究竟是怎么来的。 这篇文章的目的是为了能迅速认识什么是CAN总线和CAN报文，很多关于CAN通讯平时用不上的深入细节都省略了，等到最后这个CAN通讯开发系列快结束的时候，在写CAN驱动时再深入讲解，这样就更容易理解了。
实际上，对CAN入门来说，只要知道CAN的物理链路要怎么去接线，CAN报文是什么东西，这样就能进行CAN通讯开发了，比如CAN应用报文开发、网管报文开发、报文超时故障开发、CAN诊断开发等等。
好了，接下来就可以步入CAN开发了。但是，要开发总得有需求吧？总不能一上来啥需求也不知道，咔咔咔一顿开发，都不知道开发了啥。
下一篇文章，我们会看看CAN通讯开发的需求都是些什么。
原文始发于微信公众号（谦益行）：《小白的AUTOSAR BSW软件开发历程》02-从实际应用层面认识CAN报文
