CAN總線的特點(diǎn)/幀類型/應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

1980年，Bosch的工程師開(kāi)始研究汽車上高速串行通信的問(wèn)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(yīng)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(diǎn)，幀類型，以及應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。

1．CAN總線特點(diǎn)

1．1多主控制

跟我們常用的RS485只有一個(gè)主機(jī)，從機(jī)只能等待主機(jī)的輪詢不同，在CAN總線中，當(dāng)任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到總線空閑時(shí)，就可以立即啟動(dòng)信息的發(fā)送，也就是每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以當(dāng)主機(jī)。當(dāng)然，這馬上會(huì)引起我們的擔(dān)心。如同一個(gè)家庭每個(gè)人都當(dāng)家做主，那還不亂了套嗎？不急，我們來(lái)看一下。這個(gè)問(wèn)題是如何被巧妙地解決的。

物理層，CAN采用差分總線。單片機(jī)引腳的邏輯電平0，被CAN收發(fā)器（PHY）轉(zhuǎn)換為顯性電平（Dominant），邏輯電平1被轉(zhuǎn)換為隱性電平（Reccesive）?？偩€上執(zhí)行的是“線與”邏輯，只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)，節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)總線上的顯隱狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到的狀態(tài)與自己發(fā)送的不一致時(shí)，此節(jié)點(diǎn)將停止發(fā)送，進(jìn)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(jí)，發(fā)送最高優(yōu)先級(jí)消息的節(jié)點(diǎn)獲得總線最后的控制權(quán)，得以最終完整的發(fā)送自己的消息。

接收濾波（Filter）。一個(gè)掛在總線上的節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)聽(tīng)到所有的消息（Message），但通常我們只對(duì)其中某些消息感興趣，這時(shí)怎么辦呢？CAN模塊一般會(huì)提供接收濾波功能（Filter）。通過(guò)設(shè)置濾波寄存器，我們可以達(dá)到接收消息時(shí)，比對(duì)ID所有位，也可以只比對(duì)ID某些位，從而達(dá)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(jī)制可以給節(jié)點(diǎn)編組，給組成員群發(fā)消息。

1．2速度快，距離遠(yuǎn)

CAN總線可以達(dá)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(gè)數(shù)據(jù)幀內(nèi)可以傳送8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。

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(dá)到10Mbps，在一個(gè)數(shù)據(jù)幀內(nèi)可以傳送64字節(jié)的數(shù)據(jù)。2015 年 ，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）正式發(fā)布支持CAN FD的11898－1協(xié)議。

2．幀類型

CAN協(xié)議很簡(jiǎn)潔，只包含4種幀類型。

數(shù)據(jù)幀（Data Frame），用來(lái)把數(shù)據(jù)從發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳送至接收節(jié)點(diǎn)。

遠(yuǎn)程幀（Remote Frame），一個(gè)節(jié)點(diǎn)用來(lái)請(qǐng)求其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送遠(yuǎn)程幀時(shí)會(huì)把Arbitration Filed最后一位RTR（置1），具有相同ID的節(jié)點(diǎn)會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上。

錯(cuò)誤幀（Error Frame），當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)會(huì)向總線發(fā)出錯(cuò)誤幀，以通知其它節(jié)點(diǎn)。

過(guò)載幀（Overload Frame），用來(lái)在數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間插入延時(shí)。

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

在編程時(shí)我們直接用到的就是數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀。軟件編程比較簡(jiǎn)單，需要注意的是一般需要設(shè)置寄存器中的初始化請(qǐng)求位（Initialization request），使模塊進(jìn)入初始化狀態(tài)，才能開(kāi)始進(jìn)行CAN模塊的各種配置，初始化完成后退出初始化狀態(tài)，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

3．CAN總線應(yīng)用注意事項(xiàng)

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(jìn)行阻抗匹配，因?yàn)镃AN總線長(zhǎng)度一般會(huì)比較長(zhǎng)，傳輸?shù)?a target="_blank">信號(hào)速度快，特別是信號(hào)的邊沿跳變部分頻率很高。

傳輸線效應(yīng) 平常我們總是認(rèn)為電信號(hào)從一個(gè)引腳發(fā)出，通過(guò)導(dǎo)線，瞬間就會(huì)到達(dá)接收引腳，導(dǎo)線上的電壓處處是相等的。但是當(dāng)信號(hào)的頻率很高，或者導(dǎo)線特別長(zhǎng)，總之導(dǎo)線的長(zhǎng)度接近傳導(dǎo)信號(hào)波長(zhǎng)的1／10后，我們就需要轉(zhuǎn)變一下我們的觀念，此時(shí)信號(hào)的傳輸主要受電纜特性阻抗的影響。

電纜特性阻抗 ＝ 信號(hào)電場(chǎng)強(qiáng)度（伏特／米） ／ 磁場(chǎng)強(qiáng)度（安培／米）

電纜的特性阻抗與電纜的材質(zhì)，粗細(xì)，線纜之間的距離有關(guān)，而與電纜的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。電纜的特性阻抗還和信號(hào)的頻率有關(guān)，但是當(dāng)頻率增加到一定數(shù)值時(shí)，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(hào)在阻抗不連續(xù)處會(huì)產(chǎn)生反射，所以要保持電纜阻抗的連續(xù)性，而且線纜終點(diǎn)需要用等于電纜特性阻抗的電阻進(jìn)行端接，以消耗掉傳輸至端點(diǎn)的信號(hào)，否則信號(hào)會(huì)反射回去和后續(xù)發(fā)出的信號(hào)產(chǎn)生疊加，引起錯(cuò)誤。

頻率與波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系

150K 2000m

500K 600m

1M 300m

10M 30m

端接電阻的另一個(gè)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?yàn)樵陲@性狀態(tài)下，兩條線纜CAN＿H， CAN＿L之間的寄生電容會(huì)被充電，如果沒(méi)有一個(gè)放電回路，總線不能快速回到隱性狀態(tài)。

3．2EMC防護(hù)

CAN常常工作在強(qiáng)干擾的工業(yè)環(huán)境中，采用屏蔽雙絞線會(huì)極大的提升EMC防護(hù)性能。同時(shí)如果數(shù)字電路部分和CAN收發(fā)器之間用高速光耦隔離開(kāi)，并且對(duì)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(diǎn)接入大地。如果在多個(gè)點(diǎn)接地，那么通過(guò)大地會(huì)形成電流環(huán)路，反而會(huì)引入噪聲。

3．3時(shí)鐘容差（Oscillator Tolerance）

總線的速度越高，需要的時(shí)鐘精度越高。一般在低于125kpbs時(shí)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(jī)現(xiàn)象

CAN模塊內(nèi)部有監(jiān)控電路，總線上的異常，如短路等，會(huì)引起錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器增長(zhǎng)。TEC（Transmit Error Counter）， REC（Receive Error Counter）。當(dāng)發(fā)送錯(cuò)誤TEC計(jì)數(shù)超過(guò)255后，CAN模塊進(jìn)入BUS－OFF模式，此節(jié)點(diǎn)不能發(fā)送也不能接收。這樣做的好處是可以避免由個(gè)別模塊的問(wèn)題引起整個(gè)總線不能工作。

芯片一般會(huì)提供兩種恢復(fù)機(jī)制：自動(dòng)和手動(dòng)模式。比如在STM32單片機(jī)中，如果ABOM位設(shè)置為1，CAN模塊將不斷嘗試自動(dòng)恢復(fù)。如果ABOM＝0，則需要程序進(jìn)入CAN初始化模式，重新配置后，再退出初始化進(jìn)入正常工作模式。

由于CAN總線非常可靠，不易出錯(cuò)，所以在測(cè)試階段建議人為制造一些總線錯(cuò)誤，比如短路，斷路，強(qiáng)干擾之類，看程序是否能從異常狀態(tài)下恢復(fù)。
責(zé)任編輯人：CC?