♪³ CAN总线

♪⁶ 硬件组成

1.两根线（CAN_H、CAN_L），差分信号，无需共地（不过实际使用时，两个设备之间会有额外的共地）；
2.线路连接方式： STM32(UART) → CAN收发器 → 设备；

♪⁶ 电平标准

高速CAN：电压差为0V → 逻辑1（隐性电平）、电压差为2V → 逻辑0（显性电平）；
低速CAN：电压差为-1.5V → 逻辑1（隐性电平）、电压差为3V → 逻辑0（显性电平）；

注：
两线没有电压差是总线的默认状态 → 因此是隐性；
此外电路总线中默认高电平拉高，因此默认是逻辑1；
在低速CAN中，由于长距离线路中会有损耗，因此总线需要拉高电平，这样，默认的两根差分信号线电平不再相同，因此不能像高速CAN一样相连，此外高速，之所以高速，其闭环的连接方式，也能让差分信号更快地归零，从而实现高速

♪⁶ CAN帧格式

包括以下类型：（都是人为定义的）

• 数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、帧间隔

数据帧格式：
1.标准格式

默认空闲时总线是逻辑1，起始位为逻辑0，表示开始发数据了；
仲裁段-报文ID：区分设备id、决定消息优先级；

• RTR：远程请求标志位，数据帧必须为0，遥控帧必须为1；
• 相同id下，数据帧优先级大于遥控帧；
  控制段：
• IDE：ID扩展标志位，用于区分该数据帧是标准格式还是扩展格式；
• r0：保留位，暂时无用，用于后续升级；
• DLC：指定数据段的长度；如 1000 表示数据段有8个字节；
  数据段：
• 和DLC对应，最小单位为字节，即0-8个字节，也就是0-64个位；
  CRC段：
• CRC：CRC检验码，按CRC算法计算出来的；
• CRC界定符，用于给发送方释放总线后监听接收方操作总线留出时间；
  ACK段：
• ACK位：应答位，发送方发送完数据段和CRC段后，会短暂监听总线，此时接收方在这一位操作总线，拉开电平发送逻辑0，这样发送方就能知道此时接收方接收到信息了；
• ACK界定符：和CRC界定符组合使用，用于监听应答和总线控制交接的缓存；
• 应答是夹在发送过程之中的；
  帧结束：
• EOF：7个停止位；

2.扩展格式：增加ID个数，原本的11位ID数不够用，因此产生了扩展格式；

SRR：

• 在仲裁规则中，是先比较11个ID位，后比较RTR位，因此在扩展格式中，原本的RTR位就移到了整个仲裁段的最后面，在中间插入新的ID段，但是为了和标准格式兼容，原本的RTR位就空出来了，因此规定为SRR位，之后由于要保证标准格式的优先级高于扩展格式，因此为了区分，在SRR位规定为1，和原本标准格式的RTR位规定位0作区分；
  IDE：
• 用于区分当前是标准格式还是扩展格式，标准格式为显性（逻辑0），扩展格式为隐性（逻辑1）；
  控制段：
• 在标准格式中原本的r1、r0都是保留位，后续增加了IDE位，因此在标准格式中没有r1位，而是IDE位，但在扩展格式中，IDE已经在前面出现了，因此这里恢复成r1位，和r0位一起作为新的保留位，可供后续升级；
• DLC：和标准格式一样，用于指定数据段的长度；
  数据段之后和标准格式都一样；

符号说明：

• SOF：Start of Frame 帧起始，标志一段波形的开始；
• ID：Identify 标识；
• RTR：Remote Transmission Request 远程请求位，区分数据帧和遥控帧；
• IDE：Identify Extension 扩展标志位，区分标准格式和扩展格式；
• SRR：Substitute Remote Request 替代RTR，协议升级后的无意义占位；
• r0/r1：Reserve 保留位，为协议升级留下空间；
• DLC：Data Length Code 数据长度，指定Data有多少字节；
• Data：数据帧中的有效数据内容；
• CRC：Cyclic Redundancy Check 循环冗余校验，检测数据是否正确；
• ACK：Acknowledgement 应答位，判断数据有没有被接收方接收；
• CRC/ACK界定符：位应答位前后发送方和接收方交接总线控制权留出缓冲时间；
• EOF：End of Frame 帧结束，表示数据位已经传输完毕；

遥控帧格式：
从机主动请求数据，主机从总线接收到后再发送数据帧给从机；
其实就是除部分标志位与数据帧不同外，数据帧为空的数据帧；
遥控帧RTR为1；遥控帧ID部分表示要请求的数据，类似于功能码；

（错误帧、过载帧、帧间隔相对复杂，初学无需了解）
错误帧：
总线上的设备都会监控总线上的数据，如果发现有位错误、CRC校验错误等，就会用错误帧破坏数据帧，同时终止当前的发送设备；

♪⁶ 位填充（了解）

用于给波形增加定时信息，防止波形一直无变化，因为可能每个设备的时钟会有一点偏差，长时间不变的波形可能会导致计数异常；
此外位填充还能表示总线是处于活跃状态的，因为默认状态是长时间的逻辑1，有相反逻辑电平时，说明总线是正在传输数据的；

位填充规则：
发送方每发送5个相同电平后，就会自动追加一个相反的电平，接收方则会基于相同规则自动移除该填充位，
如 发送 100000110 → 实际发送 1000001110；
如果填充后仍然有5个相同的，则继续填充，
如 发送 10000011110 → 实际发送 → 1000001111100；

此外，错误帧中的错误标注和错误数据长度都是6个位，而正常波形不会超过5个相同电平，因此位填充能特异化错误帧，便于识别。

♪⁶ 数据采样和同步（了解）

CAN总线没有时钟线，通过波特率决定每个位的时长；
（波特率：每秒发送的位数）

硬件同步：
以第一次跳变沿为起始参考位置，向后偏移半个采样周期作为第一位数据的采样位置，之后依次进行，就能保证每个采样点都在数据中心附近；

再同步：
由于设备的时钟可能存在误差，在采样的过程中，每次采样周期可能不是刚好和发送方约定好的实际采样周期，随着数据位数的增加，误差不断累积，导致之后某一次采样点会恰好落到跳变沿的位置；
为了解决这个问题，引入再同步：
即，以每次跳变沿的位置为参考位置，观察到采样点偏离这个参考位置太多的时候，就适当地调整下一次采样点的位置，之后按原有采样周期进行，构成一个动态监控修复的过程；

位时序
将一个位的时长进行更细致地划分，分成一个个以最小时间单位(Tq)为计数单位的时长，
如同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相位缓冲段1（PBS1）、相位缓冲段2（PBS2）；
采样点就发生在PBS1和PBS2之间；
每一段的时长会根据实际信号跳变沿的位置进行动态调整，以实现采样点的偏移。

♪⁶ 仲裁机制

总线的资源分配机制：当多设备同时发送时遇到的问题；

先占先得规则：
当其他设备已经在操作总线时，其他设备无法发送数据帧和遥控帧，但可以发错误帧；
任何设备规定：检测到总线存在连续11个隐性电平逻辑1时，即认为总线当前处于空闲状态，这时才会开始发数据帧或遥控帧，否则等待总线空闲再发送；

非破坏性仲裁：
当总线上的设备要同时发送数据时（也就是当前总线是空闲的，但是多个设备都检测到了，都想要发送数据的时候），总线协议根据仲裁段（ID号）进行比较，ID号小的优先级更高，将会获得总线的控制权，ID号大的转为接收状态，等待下一次空闲再发送；
线与特性：总线上有0则0，全1才1；
回读机制：设备在发送一位数据后会读取当前总线状态，检查是否和当前发送的一致；
根据线与和回读，设备在发送过程中回读发现和自己发送的ID不一样就会停止发送进入等待，这样ID号小的就能继续发送，从而实现优先级的效果；

♪³ 达妙电机的数据协议

MIT模式参数注意事项：
1.位置模式：$k_p \propto \text{Angle},\ k_d \neq 0,\ t_{ff}=0$；
2.速度模式：$k_p=0,\ k_d \propto \text{Speed}$；
3.力矩模式：$kp=0,\ kd=0,\ t_{ff} \propto \text{Torque}$；

通过上位机调试助手设置电机ID：
在只连接一个电机的情况下（不要将他们串联，否则所有电机的ID都会被设为一样的），将USB转UART连接到电机串口调试口，通过下图这个地方设置当前电机的ID

(电机)接收帧：（STM32 → 关节电机）

如：
电机 ID=0x02，MIT模式，位置$=1.57$，速度$=0$，$K_p=1$，$k_d=0.5$，$t_{ff}=0$ 时
CAN ID为：0x002；
CAN 数据帧为：90 13 7F F0 08 19 97 FF；

位置：Data[0], Data[1] 占2字节：0x0000 → 0xFFFF
即从 -12.50 $\text{rad}$ → 12.50 $\text{rad}$，映射至 0x0000 → 0xFFFF；
0 $\text{rad}$ 的时候为 0x7FFF

速度：Data[2], Data[3][0:3] 占2.5字节：0x000 → 0xFFF
即从 -45.00 $\text{rad/s}$ → 45.00 $\text{rad/s}$，映射至 0x000 → 0xFFF
0 $\text{rad/s}$ 的时候为 0x7FF

$K_p$：Data[3][4:7], Data[4] 占2.5字节：0x000 → 0xFFF
即从 0.00 $\text{N/r}$ → 500 $\text{N/r}$，映射至 0x000 → 0xFFF
0 $\text{N/r}$ 的时候为 0x000

$K_d$：Data[5], Data[6][0:3] 占2.5字节：0x000 → 0xFFF
即从 0.00 $\text{N} \cdot\text{s/r}$ → 5.00 $\text{N} \cdot\text{s/r}$，映射至 映射至 0x000 → 0xFFF
0 $\text{N} \cdot\text{s/r}$ 的时候为 0x000

转矩 $t_{ff}$：Data[6][4:7], Data[7] 占2.5字节：0x000 → 0xFFF
即从 -18.00 $\text{N} \cdot\text{m}$ → 18.00 $\text{N} \cdot\text{m}$，映射至 0x000 → 0xFFF
0 $\text{N} \cdot\text{m}$ 的时候为 0x7FF

因此零状态数据帧为：7F FF 7F F0 00 00 07 FF；

(电机)反馈帧：（关节电机 → STM32）

反馈帧同样是数据帧，
反馈帧 ID 是主控制器的 ID，默认是 0x000，因此需要将STM32自身这个CAN设备节点的ID设置为 0x000
数据段部分：
Data [0] 为 ID 的低8位 $\times 4$ 再加上错误类型，然后取低8位：
如ID为0x001，错误类型为8，则 0x001 << 4 → 0x010，加上错误类型并取低8位：0x10 + 0x08 → 0x18；
但这里控制器ID是0x000，因此对应错误类型就是：

Data[1], Data[2]：POS，位置，电机此时角度(rad)，和控制帧中的位置对应，占2字节，
0x0000 → 0xFFFF 对应 -12.50 $\text{rad}$ → 12.50 $\text{rad}$；

Data[3], Data[4][0:3]：VEL，速度，电机此时转速(rad/s)，占2.5字节,
0x000 → 0xFFF 对应 -45.00 $\text{rad/s}$ → 45.00 $\text{rad/s}$，
如电机当前速度为 25.0rad/s，速度范围 VMAX=45rad/s时，
对应数据 $\text{VEL} =25.0/(45-(-45))\cdot 2^{12}+2^{11}=3185=$ 0xC71；

Data[4][4:7], Data[5]：T，转矩，电机当前输出扭矩，占2.5字节,
0x000 → 0xFFF 对应 -18.00 $\text{N} \cdot\text{m}$ → 18.00 $\text{N} \cdot\text{m}$；

Data[6]：T_MOS，驱动电路的MOS管平均温度，占1字节；
Data[7]：T_Rotor，电机内部线圈平均温度，占1字节；