CAN總線詳解

1 簡介

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)的簡稱，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)分布式實(shí)時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。

優(yōu)點(diǎn)：

傳輸速度最高到1Mbps，通信距離最遠(yuǎn)到10km，無損位仲裁機(jī)制，多主結(jié)構(gòu)。近些年來，CAN控制器價格越來越低。

? 低成本：ECUs通過單個CAN接口進(jìn)行通信，布線成本低。

? 高集成：CAN總線系統(tǒng)允許在所有ECUs上進(jìn)行集中錯誤診斷和配置。

? 可靠性：該系統(tǒng)對子系統(tǒng)的故障和電磁干擾具有很強(qiáng)的魯棒性，是汽車控制系統(tǒng)的理想選擇。

? 高效率：可以通過id對消息進(jìn)行優(yōu)先級排序，以便最高優(yōu)先級的id不被中斷。

? 靈活性：每個ECU包含一個用于CAN總線收發(fā)芯片，隨意添加CAN總線節(jié)點(diǎn)。

2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)

CAN總線網(wǎng)絡(luò)主要掛在CAN_H和CAN_L，各個節(jié)點(diǎn)通過這兩條線實(shí)現(xiàn)信號的串行差分傳輸，為了避免信號的反射和干擾，還需要在CAN_H和CAN_L之間接上120歐姆的終端電阻。為什么是120Ω，因為電纜的特性阻抗為120Ω，為了模擬無限遠(yuǎn)的傳輸線。

3 CAN收發(fā)器

CAN收發(fā)器的作用是負(fù)責(zé)邏輯電平和信號電平之間的轉(zhuǎn)換。

即從CAN控制芯片輸出邏輯電平到CAN收發(fā)器，然后經(jīng)過CAN收發(fā)器內(nèi)部轉(zhuǎn)換將邏輯電平轉(zhuǎn)換為差分信號輸出到CAN總線上，CAN總線上的節(jié)點(diǎn)都可以決定自己是否需要總線上的數(shù)據(jù)。具體的引腳定義如下：

4 CAN信號表示

CAN總線采用不歸零碼位填充技術(shù)，也就是說CAN總線上的信號有兩種不同的信號狀態(tài)，分別是顯性的(Dominant)邏輯0和隱形的(recessive)邏輯1，信號每一次傳輸完后不需要返回到邏輯0(顯性)的電平。

顯性與隱性電平的解釋：

CAN的數(shù)據(jù)總線有兩條，一條是黃色的CAN_High,一條是綠色的CAN_Low。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，兩條線的電平一樣都為2.5V，稱為靜電平，也就是隱性電平。當(dāng)有信號發(fā)送時，CAN_High的電平升高1V，即3.5V，CAN_Low的電平降低1V，即1.5V。

按照定義的：

CAN_H-CAN_L < 0.5V 時候為隱性的，邏輯信號表現(xiàn)為"邏輯1"- 高電平。

CAN_H-CAN_L > 0.9V 時候為顯性的，邏輯信號表現(xiàn)為"邏輯0"- 低電平。

5 CAN信號傳輸

發(fā)送過程：CAN控制器將CPU傳來的信號轉(zhuǎn)換為邏輯電平（即邏輯0-顯性電平或者邏輯1-隱性電平）。CAN發(fā)射器接收邏輯電平之后，再將其轉(zhuǎn)換為差分電平輸出到CAN總線上。

接收過程：CAN接收器將CAN_H 和 CAN_L 線上傳來的差分電平轉(zhuǎn)換為邏輯電平輸出到CAN控制器，CAN控制器再把該邏輯電平轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號發(fā)送到CPU上。

6 CAN數(shù)據(jù)傳輸

CAN總線傳輸?shù)氖荂AN幀，CAN的通信幀分成五種，分別為數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀、過載幀和幀間隔。

數(shù)據(jù)幀根據(jù)仲裁段長度不同分為標(biāo)準(zhǔn)幀（2.0A）和擴(kuò)展幀（2.0B）。

幀起始

由一個顯性位（低電平）組成，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀起始，其他節(jié)點(diǎn)同步于幀起始；

幀結(jié)束

由7個隱形位（高電平）組成。

仲裁段

只要總線空閑，總線上任何節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送報文，如果有兩個或兩個以上的節(jié)點(diǎn)開始傳送報文，那么就會存在總線訪問沖突的可能。但是CAN使用了標(biāo)識符的逐位仲裁方法可以解決這個問題。

CAN總線控制器在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時監(jiān)控總線電平，如果電平不同，則停止發(fā)送并做其他處理。如果該位位于仲裁段，則退出總線競爭；如果位于其他段，則產(chǎn)生錯誤事件。

假設(shè)節(jié)點(diǎn)A、B和C都發(fā)送相同格式相同類型的幀，如標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)幀，它們競爭總線的過程是：

幀ID越小，優(yōu)先級越高。由于數(shù)據(jù)幀的RTR位為顯性電平，遠(yuǎn)程幀為隱性電平，所以幀格式和幀ID相同的情況下，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀；由于標(biāo)準(zhǔn)幀的IDE位為顯性電平，擴(kuò)展幀的IDE位為隱形電平，對于前11位ID相同的標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀，標(biāo)準(zhǔn)幀優(yōu)先級比擴(kuò)展幀高。

數(shù)據(jù)段

一個數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為0~8個字節(jié)，這種短幀結(jié)構(gòu)使得CAN-bus實(shí)時性很高，非常適合汽車和工控應(yīng)用場合如圖27所示。

數(shù)據(jù)量小，發(fā)送和接收時間短，實(shí)時性高，被干擾的概率小，抗干擾能力強(qiáng)。

審核編輯 ：李倩