什么是CAN總線？-2

在前文一文讀懂CAN總線（一）中我們簡單介紹了CAN通訊協(xié)議，講了標(biāo)準(zhǔn)CAN和擴(kuò)展CAN以及CAN消息類型，在本文中將繼續(xù)為大家深入講解CAN總線的位填充機(jī)制、錯誤檢測和故障界定、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、終端匹配、電纜與接線、差分信號電壓幅值。

位填充機(jī)制

定義及機(jī)制形式

幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域以及CRC校驗(yàn)和域，均通過位填充方法編碼。

位填充是指：

無論何時，發(fā)送器只要檢測到位流中有5個連續(xù)相同邏輯的位，便會自動在位流中插入一個補(bǔ)碼位。

舉例來說，如果連續(xù)5個顯性位，則在5個顯性位之后自動插入1個隱性位，接收器會自動刪除這個插入的填充位。

數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的剩余位域（CRC界定符、應(yīng)答域和幀結(jié)尾域）形式固定，不填充；錯誤幀和過載幀也不填充。

作用

1.CAN網(wǎng)絡(luò)同步需要足夠多的上升沿，這是CAN協(xié)議規(guī)定位填充的目的之一。

2.確保數(shù)據(jù)幀不會被當(dāng)作錯誤幀（由6個連續(xù)的顯性或隱性位組成）、確保正確識別幀結(jié)束標(biāo)志（7個連續(xù)隱性位）。

錯誤檢測和故障界定

CAN總線具有很高的“健壯性”，這是因?yàn)镃AN具有多種錯誤檢查機(jī)制。

CAN協(xié)議制定了5種錯誤檢測方法，3種位于報文層，2種位于位流層。

如果一個數(shù)據(jù)幀出現(xiàn)錯誤，那么這個幀會被丟棄，并且接收節(jié)點(diǎn)還會發(fā)送一個錯誤幀。這會強(qiáng)制發(fā)送節(jié)點(diǎn)重復(fù)發(fā)送出錯的報文，直到接收節(jié)點(diǎn)正確接收；如果同一個報文重復(fù)出錯，達(dá)到一定次數(shù)后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以關(guān)閉發(fā)送功能以降低對總線的影響。

報文層錯誤檢測

報文層的錯誤檢測包括CRC和ACK。

CRC域包含15位校驗(yàn)、1位界定符；ACK域包括1位應(yīng)答位、1位界定符。

CRC校驗(yàn)錯誤

CRC校驗(yàn)錯誤很好理解，它對數(shù)據(jù)域以及數(shù)據(jù)域之前的位生產(chǎn)CRC校驗(yàn)。由于一幀CAN報文數(shù)據(jù)流很?。ㄗ疃?個用戶數(shù)據(jù)），所以15位CRC的偵錯能力非常優(yōu)秀。

ACK校驗(yàn)錯誤

ACK域是怎么起作用的呢？

這是由CAN協(xié)議規(guī)定的，即發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)后，接收節(jié)點(diǎn)必須向發(fā)送節(jié)點(diǎn)應(yīng)答，如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)沒有收到接收節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答信號，就會認(rèn)為自己發(fā)送失敗，從而重傳數(shù)據(jù)。

報文層的第三種錯誤檢查方法是

格式檢查

。這種檢查會監(jiān)控報文中那些一定為隱性位的域，如果這些域中出現(xiàn)顯性位，則檢測到格式錯誤。這些域包括SOF、EOF、ACK的界定符和CRC的界定符。

位流層錯誤檢測

位錯誤

位流層的錯誤檢測之一是發(fā)送到總線上的每一個數(shù)據(jù)位，都會被監(jiān)視，如果發(fā)現(xiàn)發(fā)送的位和總線上的位不相同時，產(chǎn)生位錯誤。

這種監(jiān)視機(jī)制并不會監(jiān)視仲裁域的位，這是因?yàn)槎鄠€節(jié)點(diǎn)同時競爭總線時，優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可能會覆寫總線上的仲裁域位。

位填充規(guī)則

位流層的另外一個錯誤檢測機(jī)制是位填充規(guī)則：5個連續(xù)相同邏輯位之后，如果第6個位的邏輯還和前五個相同，則產(chǎn)生位填充錯誤。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>

CAN使用差分信號，需要一對信號線，推薦使用雙絞線，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦聢D所示。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

使用差分信號可以抑制共模干擾、能夠增加系統(tǒng)可靠性，允許使用更高的速率。

高速ISO11898標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了CAN傳輸最高速率為1Mbps，在這個速率下，傳輸距離最長40米（掛接30個節(jié)點(diǎn)，CAN信號不隔離）。推薦節(jié)點(diǎn)分支長度最大為0.3米、使用帶屏蔽或不帶屏蔽的雙絞線，線纜特性阻抗為120歐姆。

終端匹配

終端匹配電阻大小等于傳輸電纜特性阻抗，傳輸電纜特性阻抗由電纜供應(yīng)商提供，一般近似為：

Z=√(L/C)

其中L為電纜單位長度感抗，C為電纜單位長度電容。

由于CAN收發(fā)器結(jié)構(gòu)，從隱性變成顯性由晶體管驅(qū)動，所以都是很陡的，但是從顯性回到隱性，卻需要終端電阻來放電，否則就會由于導(dǎo)線分布電容，緩慢放電，導(dǎo)致位寬錯誤。

所以所謂的近距離、低波特率CAN總線不加終端電阻的做法，都是錯誤的。

RS485與CAN總線不同，由于RS485收發(fā)器中一般都內(nèi)置失效保護(hù)電路，在近距離、低波特率下允許不加終端匹配電阻。

電纜與接線

CAN總線采用差分信號傳輸，如果使用帶屏蔽雙絞線，屏蔽層應(yīng)單點(diǎn)接地。

帶單屏蔽層的CAN電纜剖析與連接線示范

通常電纜截面積越小，其分布電容、分布電感和直流電阻越大。當(dāng)通訊距離較遠(yuǎn)時，電容、電感和直流電阻會引起信號衰減，波形失真和抖動。

一般情況下，電纜供應(yīng)商會提供信號衰減圖表。

24-AWG電纜衰減和頻率的關(guān)系

差分信號電壓幅值

CAN電平幅值

如上圖所示，兩條信號線CAN_H和CAN_L靜態(tài)時均為2.5V左右，此時狀態(tài)表示邏輯1，稱作隱性；CAN_H比CAN_L高表示邏輯0，稱為顯性，此時通常CAN_H電壓3.5V、CAN_L電壓1.5V。

差分電壓幅值與電平極性關(guān)系

CAN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，CAN總線上的差分電壓>0.9V才能被識別成顯性電平，<0.5V才能被識別成隱性電平，0.5~0.9之間的電平不能確定電平極性。如上圖所示。?

終端匹配電阻數(shù)目與差分電壓幅值關(guān)系

在實(shí)際項(xiàng)目布線時，容易漏加或者多加終端匹配電阻。我們可以通過測量CAN差分電壓幅值來評估是否漏加或多加終端匹配電阻。

如果不計導(dǎo)線電阻，終端電阻固定為120歐姆，單節(jié)點(diǎn)CAN總線差分電壓如上圖所示。