什么是CAN總線？

CAN簡介

CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。

最初，CAN被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。

比如：發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置。

CAN總線特性

1.CAN總線具有高抗干擾性、自診斷和數(shù)據(jù)偵錯(cuò)功能，這些特性使得CAN總線在各種工業(yè)場合廣泛使用，包括樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療和制造業(yè)。

2.CAN總線由德國BOSCH公司開發(fā)，最高速率可達(dá)到1Mbps。CAN的容錯(cuò)能力特別強(qiáng)，CAN控制器內(nèi)建了強(qiáng)大的檢錯(cuò)和處理機(jī)制。

3.另外，不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)（比如USB或者以太網(wǎng)），CAN節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間不會(huì)傳輸大數(shù)據(jù)塊，一幀CAN消息最多傳輸8字節(jié)用戶數(shù)據(jù)，采用短數(shù)據(jù)包也可以使得系統(tǒng)獲得更好的穩(wěn)定性。

4.CAN總線具有總線仲裁機(jī)制，可以組建多主系統(tǒng)。

CAN通訊協(xié)議ISO-11898

ISO11898體系結(jié)構(gòu)定義七層，OSI模型中的最低兩層作為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。

實(shí)際通訊是在連接設(shè)備的物理介質(zhì)中進(jìn)行，物理介質(zhì)的特性由模型中的物理層定義。

注：

LLC用于接收濾波、超載通告、回復(fù)管理

MAC用于數(shù)據(jù)封裝/拆封、幀編碼、媒體訪問管理、錯(cuò)誤檢測與標(biāo)定、應(yīng)答、串轉(zhuǎn)發(fā)/并轉(zhuǎn)串

PLS用于位編碼/解碼、位定時(shí)、同步

PMA為收發(fā)器特性

應(yīng)用程序?qū)咏⒘松蠈討?yīng)用特定協(xié)議，如CANopenTM協(xié)議的通訊鏈路。

這個(gè)協(xié)議由全世界的用戶和廠商組織、CiA維護(hù)，詳情可訪問CiA網(wǎng)站：can-cia.de。

許多協(xié)議是專用的，比如工業(yè)自動(dòng)化、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或航空。

標(biāo)準(zhǔn)CAN和擴(kuò)展CAN

標(biāo)準(zhǔn)CAN

標(biāo)準(zhǔn)CAN只有11位標(biāo)識(shí)符，每幀的數(shù)據(jù)長度為51+（0~64）=（51~117）位。

標(biāo)準(zhǔn)CAN---11位標(biāo)識(shí)符

·

SOF

- 幀起始。顯性（邏輯0）表示報(bào)文的開始，并用于同步總線上的節(jié)點(diǎn)。

·標(biāo)識(shí)符- 標(biāo)準(zhǔn)CAN具有11位標(biāo)識(shí)符，用來確定報(bào)文的優(yōu)先級(jí)。

此域的數(shù)值越小，優(yōu)先級(jí)越高。

·

RTR

- 遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位。

當(dāng)需要從另一個(gè)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求信息時(shí)，此位為顯性（邏輯0）。

所有節(jié)點(diǎn)都能接收這個(gè)請(qǐng)求，但是幀標(biāo)識(shí)符確定被指定的節(jié)點(diǎn)。

響應(yīng)數(shù)據(jù)幀同樣被所有節(jié)點(diǎn)接收，可以被有興趣的節(jié)點(diǎn)使用。

·

IDE

- 標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位，為顯性時(shí)表示這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CAN格式，為隱形表示這是擴(kuò)展CAN格式。

·

r0

- 保留位（可能將來標(biāo)準(zhǔn)修訂會(huì)使用）。

·

DLC

- 4位數(shù)據(jù)長度代碼表示傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)目，一幀CAN最多傳輸8字節(jié)用戶數(shù)據(jù)。

·

數(shù)據(jù)0~8

– 最多可以傳輸8字節(jié)用戶數(shù)據(jù)。

·

CRC

- 16位（包括1位定界符）CRC校驗(yàn)碼，用來校驗(yàn)用戶數(shù)據(jù)區(qū)之前的（包含數(shù)據(jù)區(qū)）傳輸數(shù)據(jù)段。

· ACK - 2位，包含應(yīng)答位和應(yīng)答界定符。

發(fā)送節(jié)點(diǎn)的報(bào)文幀中，ACK兩位是隱性位，當(dāng)接收器正確地接收到有效的報(bào)文，接收器會(huì)在應(yīng)答位期間向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)顯性位，表示應(yīng)答。

如果接收器發(fā)現(xiàn)這幀數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤，則不向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK應(yīng)答，發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)稍后重傳這幀數(shù)據(jù)。

· EOF – 7位幀結(jié)束標(biāo)志位，全部為隱性位。

如果這7位出現(xiàn)顯性位，則會(huì)引起填充錯(cuò)誤。

·

IFS

– 7位幀間隔標(biāo)志位，CAN控制器將接收到的幀正確的放入消息緩沖區(qū)是需要一定時(shí)間的，幀間隔可以提供這個(gè)時(shí)間。

擴(kuò)展CAN

擴(kuò)展CAN具有29位標(biāo)識(shí)符，每幀數(shù)據(jù)長度為71+（0~64）=（71~135）位。

注：不計(jì)位填充（位填充將在后面的文章描述）。

擴(kuò)展CAN---29位標(biāo)識(shí)符

擴(kuò)展CAN消息相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)CAN消息增加的內(nèi)容如下：

· SRR – 代替遠(yuǎn)程請(qǐng)求位，為隱性。所以當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)幀與擴(kuò)展幀發(fā)送相互沖突并且擴(kuò)展幀的基本標(biāo)識(shí)符與標(biāo)準(zhǔn)幀的標(biāo)識(shí)符相同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)幀優(yōu)先級(jí)高于擴(kuò)展幀。

· IDE – 為隱性位表示標(biāo)志位擴(kuò)展幀，18位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符緊跟著IDE位。

·r1– 保留

CAN消息

仲裁

反轉(zhuǎn)的CAN總線邏輯

典型CAN的基本原理如上圖所示，從圖中可以看出，總線邏輯狀態(tài)與驅(qū)動(dòng)器輸入和接收器輸出邏輯是相反的。

正常情況下，邏輯高電平為1，邏輯低電平為0，但是CAN總線卻是邏輯高電平為0，稱為顯性，邏輯低電平為1，稱為隱性。

所以很多收發(fā)器的驅(qū)動(dòng)器輸入端都會(huì)內(nèi)置上拉電阻，在沒有任何輸入時(shí)，CAN總線就會(huì)表現(xiàn)為隱性（邏輯低電平）。

在總線空閑時(shí)，最先開始發(fā)送報(bào)文的節(jié)點(diǎn)獲得發(fā)送權(quán)。

如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問總線，CAN使用非破壞式、逐位仲裁的方式?jīng)Q定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)使用總線：各發(fā)送節(jié)點(diǎn)從仲裁域（標(biāo)識(shí)符和RTR域）的第1位開始進(jìn)行仲裁，連續(xù)輸出顯性電平（0）最多的節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)發(fā)送。

因此標(biāo)識(shí)符數(shù)值越低的CAN報(bào)文，優(yōu)先級(jí)越高。標(biāo)識(shí)符數(shù)值為0的CAN報(bào)文，具有最高優(yōu)先級(jí)，因?yàn)樗敵龅娘@性電平最多。

消息類型

CAN有四種不同的報(bào)文類型：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤指示幀和超載幀。

1、數(shù)據(jù)幀

CAN協(xié)議有兩種數(shù)據(jù)幀類型：標(biāo)準(zhǔn)CAN和擴(kuò)展CAN（見上文）。

一個(gè)數(shù)據(jù)幀中包括7個(gè)主要的域：

幀起始域——標(biāo)志數(shù)據(jù)幀的開始，由一個(gè)顯性位組成。

仲裁域——內(nèi)容由標(biāo)示符和遠(yuǎn)程傳輸請(qǐng)求位（RTR）組成，RTR用以表明此信息幀是數(shù)據(jù)幀還是不包含任何數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)地請(qǐng)求幀。

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)CAN和擴(kuò)展CAN的數(shù)據(jù)幀必須在同一條總線上傳輸時(shí)，首先判斷其優(yōu)先權(quán)，如果ID相同，則非擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先權(quán)高于擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀。

控制域——r0、r1是保留位，作為擴(kuò)展位，DLC表示一幀中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)目。

數(shù)據(jù)域——包含0～8字節(jié)的數(shù)據(jù)。

校驗(yàn)域——檢驗(yàn)位錯(cuò)用的循環(huán)冗余校驗(yàn)域，共15位。

應(yīng)答域——包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。正確接收到有效報(bào)文的接收站在應(yīng)答期間將總線值為顯性電平。

幀結(jié)束——由七位隱性電平組成。

2、遠(yuǎn)程幀

遠(yuǎn)程幀接受數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可通過發(fā)遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

它由6個(gè)域組成：幀起始、仲裁域、控制域、校驗(yàn)域、應(yīng)答域、幀結(jié)束。

3、錯(cuò)誤指示幀

錯(cuò)誤指示幀由錯(cuò)誤標(biāo)志和錯(cuò)誤分界兩個(gè)域組成。

接收節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)總線上的報(bào)文有誤時(shí)，將自動(dòng)發(fā)出“活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”其他節(jié)點(diǎn)檢測到活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志后發(fā)送“錯(cuò)誤認(rèn)可標(biāo)志”。

4、超載幀

超載幀由超載標(biāo)志和超載分隔符組成。

超載幀只能在一個(gè)幀結(jié)束后開始。當(dāng)接收方接收下一幀之前，需要過多的時(shí)間處理當(dāng)前的數(shù)據(jù)，或在幀間空隙域檢測到顯性電平時(shí)，則導(dǎo)致發(fā)送超載幀。

幀間空隙位于數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)地幀與前面的信息幀之間，由幀間空隙和總線空閑狀態(tài)組成。幀間空隙是必要的，在此期間， CAN不進(jìn)行新的幀發(fā)送，為的是CAN控制器在下次信息傳遞前有時(shí)間進(jìn)行內(nèi)部處理操作。當(dāng)總線空閑時(shí)CAN控制器方可發(fā)送數(shù)據(jù)。