什么是CAN總線協(xié)議？有哪些應(yīng)用領(lǐng)域？

現(xiàn)在的汽車已經(jīng)不再僅僅是一種死氣沉沉的交通工具了。計(jì)算機(jī)的發(fā)明也讓汽車有了一個(gè)職能的心。跟中嵌入式的計(jì)算機(jī)核心應(yīng)用到汽車當(dāng)中。那么如何規(guī)范這個(gè)核心的工作呢？這就需要CAN總線協(xié)議來幫忙了?，F(xiàn)在讓我們來了解一下這方面的知識吧。

一、CAN總線協(xié)議基本概念

（1）報(bào)文：總線上的信息以不同格式的報(bào)文發(fā)送但長度有限。當(dāng)總線開放時(shí)任何連接的單元均可開始發(fā)送一個(gè)新報(bào)文。

（2）信息路由：在CAN系統(tǒng)中一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)不使用有關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的任何信息這里包含一些重要的概念：系統(tǒng)靈活性——節(jié)點(diǎn)可以在不要求所有節(jié)點(diǎn)及其應(yīng)用層改變?nèi)魏诬浖?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1751/" target="_blank">硬件的情況下被接于CAN網(wǎng)絡(luò)。報(bào)文通信——一個(gè)報(bào)文的內(nèi)容由其標(biāo)示符ID命名ID并不指出報(bào)文的目的但描述數(shù)據(jù)的含義以便網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)有可能借助報(bào)文濾波決定該數(shù)據(jù)是否使它們激活。成組——由于采用了報(bào)文濾波所有節(jié)點(diǎn)均可接受報(bào)文并同時(shí)被相同的報(bào)文激活。數(shù)據(jù)相容性——在CAN網(wǎng)絡(luò)中可以確保報(bào)文同時(shí)被所有的節(jié)點(diǎn)或者沒有節(jié)點(diǎn)接受因此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相容性是借助于成組和出錯(cuò)處理達(dá)到的。

（3）位速率：CAN的數(shù)據(jù)傳輸率在不同的系統(tǒng)中是不同的而在一個(gè)系統(tǒng)中是固定的速率。

（4）優(yōu)先權(quán)：在總線訪問期間標(biāo)示符定義了一個(gè)報(bào)文靜態(tài)的優(yōu)先權(quán)。

（5）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求：通過發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀需要數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可以請求另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀該數(shù)據(jù)幀與對應(yīng)的遠(yuǎn)程幀以相同的標(biāo)示符ID命名。

（6）多主站：當(dāng)總線開放時(shí)任何單元均可以開始發(fā)送報(bào)文發(fā)送具有最高優(yōu)先權(quán)報(bào)文的單元會(huì)贏得總線的訪問權(quán)。

（7）仲裁：當(dāng)總線開放時(shí)任何單元均可以開始發(fā)送報(bào)文若同時(shí)有兩個(gè)或者更多的單元開始發(fā)送總線訪問沖突運(yùn)用逐位仲裁規(guī)則借助標(biāo)示符ID解決這種仲裁規(guī)則可以使信息和時(shí)間均無損失若具有相同標(biāo)示符的一個(gè)數(shù)據(jù)幀和一個(gè)遠(yuǎn)程幀同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀仲裁期間每個(gè)發(fā)送器都對發(fā)送位電平與總線上檢測到的電平進(jìn)行比較若相同則該單元可以繼續(xù)發(fā)送當(dāng)發(fā)送一個(gè)隱性電平而在總線上檢測為顯性電平時(shí)該單元退出仲裁并不再傳送后繼位了。

（8）安全性：CAN總線協(xié)議為了獲得盡可能高的數(shù)據(jù)傳輸安全性在每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)中均設(shè)有錯(cuò)誤檢測標(biāo)定和自檢的強(qiáng)有力措施。檢測措施包括：發(fā)送自檢循環(huán)冗余校驗(yàn)位填充和報(bào)文格式檢查。

（9）出錯(cuò)標(biāo)注和恢復(fù)時(shí)間：已損壞的報(bào)文由檢驗(yàn)出錯(cuò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注。這樣的報(bào)文將失效并自動(dòng)進(jìn)行重發(fā)送。如果不存在新的錯(cuò)誤從檢出錯(cuò)誤到下一個(gè)報(bào)文開始發(fā)送的恢復(fù)實(shí)踐最多為29個(gè)位時(shí)間。

（10）故障界定：CAN節(jié)點(diǎn)又能力識別永久性的故障和暫時(shí)擾動(dòng)可自動(dòng)關(guān)閉故障節(jié)點(diǎn)。

（11）連接：CAN串行通信鏈路是一條眾多單元均可被連接的總線理論上單元數(shù)目是無限的實(shí)際上單元總數(shù)受限于延遲時(shí)間和總線的電器負(fù)載。

（12）應(yīng)答：所有接收器均對接收報(bào)文的相容性進(jìn)行檢查回答一個(gè)相容的報(bào)文并標(biāo)注一個(gè)不相容的報(bào)文。

二、CAN總線協(xié)議內(nèi)容

CAN總線的物理層是將ECU連接至總線的驅(qū)動(dòng)電路。ECU的總數(shù)將受限于總線上的電氣負(fù)荷。物理層定義了物理數(shù)據(jù)在總線上各節(jié)點(diǎn)間的傳輸過程，主要是連接介質(zhì)、線路電氣特性、數(shù)據(jù)的編碼/解碼、位定時(shí)和同步的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。

總線競爭的原則

BOSCH CAN基本上沒有對物理層進(jìn)行定義，但基于CAN的ISO標(biāo)準(zhǔn)對物理層進(jìn)行了定義。設(shè)計(jì)一個(gè)CAN系統(tǒng)時(shí)，物理層具有很大的選擇余地，但必須保證CAN協(xié)議中媒體訪問層非破壞性位仲裁的要求，即出現(xiàn)總線競爭時(shí)，具有較高優(yōu)先權(quán)的報(bào)文獲取總線競爭的原則，所以要求物理層必須支持CAN總線中隱性位和顯性位的狀態(tài)特征。在沒有發(fā)送顯性位時(shí)，總線處于隱性狀態(tài)，空閑時(shí)，總線處于隱性狀態(tài)；當(dāng)有一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送顯性位，顯性位覆蓋隱性位，使總線處于顯性狀態(tài)。

在此基礎(chǔ)上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。從物理結(jié)構(gòu)上看，CAN節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成如圖7-8所示。在CAN中，物理層從結(jié)構(gòu)上可分為三層：分別是物理信號層（Physical Layer Signaling，PLS）、物理介質(zhì)附件（Physical MediaAttachment，PMA）層和介質(zhì)從屬接口（Media Dependent：Inter-face，MDI）層。其中PLS連同數(shù)據(jù)鏈路層功能由CAN控制器完成，PMA層功能由CAN收發(fā)器完成，MDI層定義了電纜和連接器的特性。目前也有支持CAN的微處理器內(nèi)部集成了CAN控制器和收發(fā)器電路，如MC68HC908GZl6。PMA和MDI兩層有很多不同的國際或國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也可自行定義，比較流行的是ISOll898定義的高速CAN發(fā)送/接收器標(biāo)準(zhǔn)。

節(jié)點(diǎn)數(shù)量

CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)不分主從，任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，通信方式靈活，利用這一特點(diǎn)可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)，CAN只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”。 CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率5kbps以下）；通信速率最高可達(dá)1Mbps（此時(shí)通信距離最長為40m）。 CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要決定于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)；報(bào)文標(biāo)識符可達(dá)2032種（CAN2.0A），而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)（CAN2.0B）的報(bào)文標(biāo)識符幾乎不受限制。

CAN的數(shù)據(jù)鏈路層

CAN的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)容，其中邏輯鏈路控制（Logical Link control，LLC）完成過濾、過載通知和管理恢復(fù)等功能，媒體訪問控制（Medium Access control，MAC）子層完成數(shù)據(jù)打包/解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯(cuò)誤檢測、錯(cuò)誤信令、應(yīng)答、串并轉(zhuǎn)換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的。

三、CAN總線協(xié)議基本規(guī)則

（1）總線訪問：采用載波監(jiān)聽多路訪問CAN控制器之恩能夠在總線空閑時(shí)就是節(jié)點(diǎn)偵聽到網(wǎng)絡(luò)上至少存在3個(gè)空閑位（隱性位）時(shí)開始發(fā)送采用硬同步所有的控制器同步都為與幀的起始的前沿。過了一定時(shí)間并在一定條件后重同步。

（2）仲裁：各節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)電平時(shí)也對總線上電平進(jìn)行讀取并于自身發(fā)送的電平進(jìn)行比較相同則發(fā)下一位直至全部發(fā)完。不同則說明網(wǎng)絡(luò)上有更高優(yōu)先級的信息幀正在發(fā)送即停止發(fā)送退出競爭。

（3）編碼/解碼：幀起始域仲裁域控制域數(shù)據(jù)域和CRC序列均使用位填充技術(shù)進(jìn)行編碼就是5個(gè)連續(xù)的同狀態(tài)電平插入一位與它相補(bǔ)的電平還原時(shí)每5個(gè)同狀態(tài)的電平后的相補(bǔ)電平被刪除。

（4）出錯(cuò)標(biāo)注：當(dāng)檢測到位錯(cuò)誤填充錯(cuò)誤形式錯(cuò)誤或應(yīng)答錯(cuò)誤時(shí)檢測出錯(cuò)條件的CAN控制器將發(fā)送一個(gè)出錯(cuò)標(biāo)志。

（5）超載標(biāo)注一些控制器會(huì)發(fā)送一個(gè)或多個(gè)超載幀以延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的發(fā)送。

四、CAN總線協(xié)議應(yīng)用領(lǐng)域

使用范圍

汽車制造中的應(yīng)用、大型儀器設(shè)備中的應(yīng)用、工業(yè)控制中的應(yīng)用、智能家庭和生活小區(qū)管理中的應(yīng)用以及機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中的應(yīng)用。同時(shí)，由于CAN總線本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動(dòng)控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。

發(fā)展趨勢

目前大多數(shù)CAN控制器只做到鏈路層，然而隨著CAN的發(fā)展和應(yīng)用，應(yīng)用層的硬件設(shè)計(jì)也成為硬件廠商的考慮范疇。