CAN總線的特點、幀類型及應用中的注意事項

1980年，Bosch的工程師開始研究汽車上高速串行通信的問題，并在1986年發(fā)布了CAN（Controller Area Network）總線。CAN以其多主，高速（最高1Mbps），抗干擾的特性被廣泛應用汽車及各種工業(yè)環(huán)境。在此我們主要介紹一下CAN總線的特點，幀類型，以及應用中的注意事項。

1．CAN總線特點

1．1多主控制

跟我們常用的RS485只有一個主機，從機只能等待主機的輪詢不同，在CAN總線中，當任意一個節(jié)點監(jiān)測到總線空閑時，就可以立即啟動信息的發(fā)送，也就是每一個節(jié)點都可以當主機。當然，這馬上會引起我們的擔心。如同一個家庭每個人都當家做主，那還不亂了套嗎？不急，我們來看一下。這個問題是如何被巧妙地解決的。

物理層，CAN采用差分總線。單片機引腳的邏輯電平0，被CAN收發(fā)器（PHY）轉換為顯性電平（Dominant），邏輯電平1被轉換為隱性電平（Reccesive）。總線上執(zhí)行的是“線與”邏輯，只要有一個節(jié)點輸出顯性電平，那么總線上就是顯性電平。

仲裁（Arbitration），CAN的發(fā)送總是以SOF（Start Of Frame）起始，緊跟器后是ID。在發(fā)送ID的同時，節(jié)點監(jiān)聽總線上的顯隱狀態(tài)，當監(jiān)聽到的狀態(tài)與自己發(fā)送的不一致時，此節(jié)點將停止發(fā)送，進入只收模式。如下圖所示，每一幀消息所具有的ID決定了此消息的優(yōu)先級，發(fā)送最高優(yōu)先級消息的節(jié)點獲得總線最后的控制權，得以最終完整的發(fā)送自己的消息。

接收濾波（Filter）。一個掛在總線上的節(jié)點可以監(jiān)聽到所有的消息（Message），但通常我們只對其中某些消息感興趣，這時怎么辦呢？CAN模塊一般會提供接收濾波功能（Filter）。通過設置濾波寄存器，我們可以達到接收消息時，比對ID所有位，也可以只比對ID某些位，從而達到只接收ID與自己完全相同的消息，或接收ID與自己部分相同的消息的目的。利用這種機制可以給節(jié)點編組，給組成員群發(fā)消息。

1．2速度快，距離遠

CAN總線可以達到1Mbps的速率?？偩€速度隨著傳輸距離增加而下降，下面是一些典型速率。在一個數據幀內可以傳送8個字節(jié)的數據。

1000kbps 40m

500kbps 130m

100kbps 620m

50kbps 1300m

5kbps 10000m

2012年，Bosch又發(fā)布了CANFD（CAN with Flexible Data－rate），最高速率可以達到10Mbps，在一個數據幀內可以傳送64字節(jié)的數據。2015 年 ，國際標準化組織（ISO）正式發(fā)布支持CAN FD的11898－1協議。

2．幀類型

CAN協議很簡潔，只包含4種幀類型。

數據幀（Data Frame），用來把數據從發(fā)送節(jié)點傳送至接收節(jié)點。

遠程幀（Remote Frame），一個節(jié)點用來請求其它節(jié)點發(fā)送數據。一個節(jié)點發(fā)送遠程幀時會把Arbitration Filed最后一位RTR（置1），具有相同ID的節(jié)點會把數據發(fā)送到總線上。

錯誤幀（Error Frame），當一個節(jié)點檢測到錯誤時會向總線發(fā)出錯誤幀，以通知其它節(jié)點。

過載幀（Overload Frame），用來在數據幀或遠程幀之間插入延時。

幀間隔（Interframe Space），不是一種幀類型。它是幀之間的間隙，由多個連續(xù)的隱性電平構成。

在編程時我們直接用到的就是數據幀和遠程幀。軟件編程比較簡單，需要注意的是一般需要設置寄存器中的初始化請求位（Initialization request），使模塊進入初始化狀態(tài)，才能開始進行CAN模塊的各種配置，初始化完成后退出初始化狀態(tài)，進入運行狀態(tài)。

3．CAN總線應用注意事項

3．1終端匹配電阻

在CAN總線的兩端要用120歐的電阻端接進行阻抗匹配，因為CAN總線長度一般會比較長，傳輸的信號速度快，特別是信號的邊沿跳變部分頻率很高。

傳輸線效應 平常我們總是認為電信號從一個引腳發(fā)出，通過導線，瞬間就會到達接收引腳，導線上的電壓處處是相等的。但是當信號的頻率很高，或者導線特別長，總之導線的長度接近傳導信號波長的1／10后，我們就需要轉變一下我們的觀念，此時信號的傳輸主要受電纜特性阻抗的影響。

電纜特性阻抗 ＝ 信號電場強度（伏特／米） ／ 磁場強度（安培／米）

電纜的特性阻抗與電纜的材質，粗細，線纜之間的距離有關，而與電纜的長度無關。電纜的特性阻抗還和信號的頻率有關，但是當頻率增加到一定數值時，特性阻抗不再變化。常用的帶屏蔽雙絞線的特性阻抗是120歐。

信號在阻抗不連續(xù)處會產生反射，所以要保持電纜阻抗的連續(xù)性，而且線纜終點需要用等于電纜特性阻抗的電阻進行端接，以消耗掉傳輸至端點的信號，否則信號會反射回去和后續(xù)發(fā)出的信號產生疊加，引起錯誤。

頻率與波長對應關系

150K 2000m

500K 600m

1M 300m

10M 30m

端接電阻的另一個作用是可以使CAN總線從顯性狀態(tài)快速回到隱性狀態(tài)。因為在顯性狀態(tài)下，兩條線纜CAN＿H， CAN＿L之間的寄生電容會被充電，如果沒有一個放電回路，總線不能快速回到隱性狀態(tài)。

3．2EMC防護

CAN常常工作在強干擾的工業(yè)環(huán)境中，采用屏蔽雙絞線會極大的提升EMC防護性能。同時如果數字電路部分和CAN收發(fā)器之間用高速光耦隔離開，并且對兩部分采用完全隔離的電源供電，那么可以把總線上的干擾最大限度地隔離在外部。

需要注意的是屏蔽層只能在一點接入大地。如果在多個點接地，那么通過大地會形成電流環(huán)路，反而會引入噪聲。

3．3時鐘容差（Oscillator Tolerance）

總線的速度越高，需要的時鐘精度越高。一般在低于125kpbs時可以用低成本的陶瓷震蕩器（ceramic resonators），更高的速度下建議使用晶體振蕩器（Quartz，or Crystal Oscilators）。

3．4CAN模塊死機現象

CAN模塊內部有監(jiān)控電路，總線上的異常，如短路等，會引起錯誤計數器增長。TEC（Transmit Error Counter）， REC（Receive Error Counter）。當發(fā)送錯誤TEC計數超過255后，CAN模塊進入BUS－OFF模式，此節(jié)點不能發(fā)送也不能接收。這樣做的好處是可以避免由個別模塊的問題引起整個總線不能工作。

芯片一般會提供兩種恢復機制：自動和手動模式。比如在STM32單片機中，如果ABOM位設置為1，CAN模塊將不斷嘗試自動恢復。如果ABOM＝0，則需要程序進入CAN初始化模式，重新配置后，再退出初始化進入正常工作模式。

由于CAN總線非常可靠，不易出錯，所以在測試階段建議人為制造一些總線錯誤，比如短路，斷路，強干擾之類，看程序是否能從異常狀態(tài)下恢復。