CAN總線相關(guān)知識科普

01CAN總線的起源

1.1 CAN總線的由來

CAN是Controller Area Network的縮寫（以下簡稱CAN）。是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。

在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性，舒適性，方便性，低公害，低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之快速增加。為適應(yīng)“減少線束數(shù)量”，“通過多個(gè)LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986年德國電氣商BOSCH開發(fā)出面向汽車的CAN通信協(xié)議。

此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

1.2 CAN總線的歷史

1983年，BOSCH開始研究車上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1986年，BOSCH在SAE大會(huì)公布CAN協(xié)議

1987年，Intel和Philips先后推出CAN控制器芯片

1991年，BOSCH頒布CAN2.0技術(shù)規(guī)范，CAN2.0包括A和B兩個(gè)部分

1991年，CAN總線最先在Benz S系列轎車上實(shí)現(xiàn)

1993年，ISO頒布CAN國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898

1994年，SAE頒布基于CAN的J1939標(biāo)準(zhǔn)

2003年，Maybach發(fā)布了帶76個(gè)ECU的新車型（CAN LIN MOST）

2003年，VW發(fā)布帶35個(gè)ECU的新型Golf

目前，CAN總線已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于汽車上，且未來很長一段時(shí)間，CAN總線仍會(huì)繼續(xù)在車上繼續(xù)使用。

1.3?主要的車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

圖1 常見車載總線特點(diǎn)對比

MOST總線作為一種新型的總線形式，面向媒體的系統(tǒng)傳輸 總線，MOST 是汽車業(yè)合作的成果，而不具備正式的標(biāo)準(zhǔn)，因而目前量產(chǎn)車型中很少見。

LVDS總線在當(dāng)前的輔助駕駛系統(tǒng)中較為常見，是輔助駕駛系統(tǒng)中攝像頭采集數(shù)據(jù)的主要傳輸形式，后續(xù)若同學(xué)們感興趣，會(huì)單獨(dú)出一篇LVDS的介紹文章與大家分享，感興趣的同學(xué)可以關(guān)注本賬號，留言回復(fù)。

2CAN總線的標(biāo)準(zhǔn)

2.1 CAN2.0版本

2.0A—將29位ID視為錯(cuò)誤

2.0B被動(dòng)—忽略29位ID的報(bào)文

2.0B主動(dòng)—可處理11位和29位兩種ID的報(bào)文,相對于2.0A增加了拓展幀的數(shù)據(jù)定義。

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表1 CAN2.0不同版本的區(qū)別

2.2 CAN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2—高速及低速CAN總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CAN總線包括CAN_H 和 CAN_L 兩根線。節(jié)點(diǎn)通過CAN控制器和CAN收發(fā)器連接到CAN總線上

2.3 CAN總線電平

在CAN總線上，利用CAN_H和CAN_L兩根線上的電位差來表示CAN信號。CAN總線上的電位差分為顯性電平和隱性電平。其中顯性電平為邏輯0，隱性電平為邏輯1。

ISO11898標(biāo)準(zhǔn)（125kbps ~ 1Mbps）和ISO11519標(biāo)準(zhǔn)（10kbps ~ 125kbps）中CAN信號的表示分別如下所示：

圖3 CAN總線的電平信號

圖4 顯性及隱形電平的表示

2.4 CAN總線的分層

圖5 CAN標(biāo)準(zhǔn)的OSI參考模型

CAN總線網(wǎng)絡(luò)底層只采用了OSI基本參照模型中的數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層。而在CAN網(wǎng)絡(luò)高層僅采用了OSI基本參照模型的應(yīng)用層

在CAN協(xié)議中，ISO標(biāo)準(zhǔn)只對數(shù)據(jù)鏈路層和物理層做了規(guī)定。對于數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的一部分，ISO11898和ISO11519-2的規(guī)定是相同，但是在物理層的PMD子層和MDI子層是不同的。

圖6 物理層與數(shù)據(jù)鏈路層

其具體的定義內(nèi)容如下

圖7 物理層與數(shù)據(jù)鏈路層定義

03CAN總線數(shù)據(jù)

3.1 CAN的特性

3.1.1 載波偵聽

網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前都要檢測總線上是否有數(shù)據(jù)傳輸

網(wǎng)絡(luò)上有數(shù)據(jù)—不發(fā)送數(shù)據(jù)，等待網(wǎng)絡(luò)空閑

網(wǎng)絡(luò)上無數(shù)據(jù)—立即發(fā)送已經(jīng)準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)

3.1.2 多路訪問

網(wǎng)絡(luò)上所有的節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)共同使用同一條總線，且發(fā)送數(shù)據(jù)是廣播式的

3.1.3 沖突避免

節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中要不停地檢測發(fā)送的數(shù)據(jù)，確定是否與其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)生沖突

3.1.4 保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致性

CAN提供了一套復(fù)雜的錯(cuò)誤檢測與錯(cuò)誤處理機(jī)制，比如CRC檢測，接口的抗電干擾能力，錯(cuò)誤報(bào)文的自動(dòng)重發(fā)，臨時(shí)錯(cuò)誤的恢復(fù)以及永久錯(cuò)誤關(guān)閉。

?3.2 CAN的幀格式

在總線中傳送的報(bào)文，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報(bào)文格式，其唯一的不同是標(biāo)識符（ID）長度不同，標(biāo)準(zhǔn)格式為11位，擴(kuò)展格式為29位。

圖8 CAN總線的幀類型和結(jié)構(gòu)

在標(biāo)準(zhǔn)格式中，報(bào)文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位 (RTR）組成的仲裁場。RTR位表明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀，在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。

控制場包括標(biāo)識符擴(kuò)展位（IDE），指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式。它還包括一個(gè)保留位 (ro），為將來擴(kuò)展使用。它的最后四個(gè)位用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度（DLC）。數(shù)據(jù)場范圍為0～8個(gè)字節(jié),其后有一個(gè)檢測數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余檢查(CRC）。

應(yīng)答場（ACK）包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平（邏輯1），這時(shí)正確接收報(bào)文的接收站發(fā)送主控電平（邏輯0）覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)站能正確接收到報(bào)文。

報(bào)文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報(bào)文間有一很短的間隔位，如果這時(shí)沒有站進(jìn)行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。

3.3 CAN總線的數(shù)據(jù)幀組成

3.3.1 遠(yuǎn)程幀

遠(yuǎn)程幀由6個(gè)場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。遠(yuǎn)程幀不存在數(shù)據(jù)場。

遠(yuǎn)程幀的RTR位必須是隱位。

DLC的數(shù)據(jù)值是獨(dú)立的，它可以是0～8中的任何數(shù)值，為對應(yīng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度。

圖9 遠(yuǎn)程幀的格式

3.3.2 錯(cuò)誤幀

錯(cuò)誤幀由兩個(gè)不同場組成，第一個(gè)場由來自各站的錯(cuò)誤標(biāo)志疊加得到，第二個(gè)場是錯(cuò)誤界定符

錯(cuò)誤標(biāo)志具有兩種形式：

活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志（Active error flag），由6個(gè)連續(xù)的顯位組成

認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志（Passive error flag），由6個(gè)連續(xù)的隱位組成

錯(cuò)誤界定符包括8個(gè)隱位

圖10 錯(cuò)誤幀的格式

3.3.3 超載幀

超載幀包括兩個(gè)位場：超載標(biāo)志和超載界定符

發(fā)送超載幀的超載條件：

要求延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀

在間歇場檢測到顯位

超載標(biāo)志由6個(gè)顯位組成

超載界定符由8個(gè)隱位組成

3.4 數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測

不同于其它總線，CAN協(xié)議不能使用應(yīng)答信息。事實(shí)上，它可以將發(fā)生的任何錯(cuò)誤用信號發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯(cuò)誤的方法，其中前三種為基于報(bào)文內(nèi)容檢查。

圖11 CAN總線錯(cuò)誤類型

3.4.1循環(huán)冗余檢查（CRC)

在一幀報(bào)文中加入冗余檢查位可保證報(bào)文正確。接收站通過CRC可判斷報(bào)文是否有錯(cuò)。

3.4.2 幀檢查

這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報(bào)文的正確性，用于檢查格式上的錯(cuò)誤。

3.4.3.應(yīng)答錯(cuò)誤

如前所述，被接收到的幀由接收站通過明確的應(yīng)答來確認(rèn)。如果發(fā)送站未收到應(yīng)答，那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯(cuò)誤，也就是說，ACK場已損壞或網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文無站接收。CAN協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯(cuò)誤。

3.4.4 總線檢測

有時(shí)，CAN中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。因此，發(fā)送報(bào)文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。

3.4.5 位填充

一幀報(bào)文中的每一位都由不歸零碼表示，可保證位編碼的最大效率。然而，如果在一幀報(bào)文中有太多相同電平的位，就有可能失去同步。為保證同步，同步沿用位填充產(chǎn)生。在五個(gè)連續(xù)相等位后，發(fā)送站自動(dòng)插入一個(gè)與之互補(bǔ)的補(bǔ)碼位；接收時(shí)，這個(gè)填充位被自動(dòng)丟掉。例如，五個(gè)連續(xù)的低電平位后，CAN自動(dòng)插入一個(gè)高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯(cuò)誤，如果在一幀報(bào)文中有6個(gè)相同位，CAN就知道發(fā)生了錯(cuò)誤。

3.5 CAN總線的錯(cuò)誤處理

在CAN總線中存在5種錯(cuò)誤類型，它們互相并不排斥，下面簡單介紹一下它們的區(qū)別、產(chǎn)生的原因及處理方法

3.5.1 錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因

位錯(cuò)誤:向總線送出一位的某個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)也在監(jiān)視總線，當(dāng)監(jiān)視到總線位的電平和送出的電平不同時(shí)，則在該位時(shí)刻檢測到一個(gè)位錯(cuò)誤。但是在仲裁區(qū)的填充位流期間或應(yīng)答間隙送出隱性位而檢測到顯性位時(shí)，不認(rèn)為是錯(cuò)誤位。送出認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)注的發(fā)送器，在檢測到顯性位時(shí)也不認(rèn)為是錯(cuò)誤位。

填充錯(cuò)誤:在使用位填充方法進(jìn)行編碼的報(bào)文中，出現(xiàn)了第6個(gè)連續(xù)相同的位電平時(shí)，將檢 測出一個(gè)填充錯(cuò)誤。

CRC錯(cuò)誤:CRC序列是由發(fā)送器CRC計(jì)算的結(jié)果組成的。接收器以和發(fā)送器相同的方法計(jì)算CRC。如果計(jì)算的結(jié)果和接收到的CRC序列不同，則檢測出一個(gè)CRC錯(cuò)誤。

形式錯(cuò)誤: 當(dāng)固定形式的位區(qū)中出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)非法位時(shí)，則檢測到一個(gè)形式錯(cuò)誤。

應(yīng)答錯(cuò)誤:在應(yīng)答間隙，發(fā)送器未檢測到顯性位時(shí)，則由它檢測出一個(gè)應(yīng)答錯(cuò)誤。

檢測到出錯(cuò)條件的節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)任何節(jié)點(diǎn)檢測出位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、形式錯(cuò)誤或應(yīng)答錯(cuò)誤時(shí)，由該節(jié)點(diǎn)在下一位開始發(fā)送出錯(cuò)誤標(biāo)志。

當(dāng)檢測到CRC錯(cuò)誤時(shí)。出錯(cuò)標(biāo)志在應(yīng)答界定符后面那一位開始發(fā)送．除非其他出錯(cuò)條件的錯(cuò)誤標(biāo)志已經(jīng)開始發(fā)送。

圖12 CAN總線BUS三種錯(cuò)誤

在CAN總線中，任何一個(gè)單元可能處于下列3種故障狀態(tài)之一：錯(cuò)誤激活狀態(tài)（ErrorActive）、錯(cuò)誤認(rèn)可狀態(tài)（Error Passitive）和總線關(guān)閉狀態(tài)（Bus off）。

錯(cuò)誤激活單元可以照常參和總線通信，并且當(dāng)檢測到錯(cuò)誤時(shí)，送出一個(gè)活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。錯(cuò)誤 認(rèn)可節(jié)點(diǎn)可參和總線通信，但是不允許送出活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。當(dāng)其檢測到錯(cuò)誤時(shí)，只能送出認(rèn)可錯(cuò) 誤標(biāo)志，并且發(fā)送后仍為錯(cuò)誤認(rèn)可狀態(tài)，直到下一次發(fā)送初始化?？偩€關(guān)閉狀態(tài)不允許單元對總 線有任何影響。

3.5.2 CAN總線錯(cuò)誤處理

為了界定故障，在每個(gè)總線單元中都設(shè)有2個(gè)計(jì)數(shù)：發(fā)送出錯(cuò)計(jì)數(shù)和接收出錯(cuò)計(jì)數(shù)。這些 計(jì)數(shù)按照下列規(guī)則進(jìn)行。

（1）接收器檢查出錯(cuò)誤時(shí)，接收器錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器加1，除非所有檢測錯(cuò)誤是發(fā)送活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志或超載標(biāo)志期間的位錯(cuò)誤。

（2）接收器在送出錯(cuò)誤標(biāo)志后的第一位檢查出顯性位時(shí)，錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器加8。

（3）發(fā)送器送出一個(gè)錯(cuò)誤標(biāo)志時(shí)，發(fā)送器錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器加8。有兩種情況例外：其一是如果發(fā) 送器為錯(cuò)誤認(rèn)可，由于未檢測到顯性位應(yīng)答或檢測到應(yīng)答錯(cuò)誤，并且在送出其認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志時(shí)，未檢測到顯性位；另外一種情況是如果仲裁器件產(chǎn)生填充錯(cuò)誤，發(fā)送器送出一個(gè)隱性位錯(cuò)誤標(biāo)志，而檢測到的是顯性位。除以上兩種情況外，發(fā)送器錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)不改變。

（4）發(fā)送器送出一個(gè)活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志或超載標(biāo)志時(shí)，檢測到位錯(cuò)誤，則發(fā)送器錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器加8。

（5）在送出活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志、認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志或超載錯(cuò)誤標(biāo)志后，任何節(jié)點(diǎn)都最多允許連續(xù)7個(gè)顯性位。在檢測到第11個(gè)連續(xù)顯性位后，或緊隨認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志檢測到第8個(gè)連續(xù)的顯性位，以及附加的8個(gè)連續(xù)的顯性位的每個(gè)序列后，每個(gè)發(fā)送器的發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)都加8，并且每個(gè)接收器的接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)也加8。

（6）報(bào)文成功發(fā)送后，發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)減1，除非計(jì)數(shù)值已經(jīng)為0。

（7）報(bào)文成功發(fā)送后，如果接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)處于1～127之間，則其值減1；如果接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)為0，則仍保持為0；如果大于127，則將其值記為119～127之間的某個(gè)數(shù)值。

（8）當(dāng)發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)等于或大于128，或接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)等于或大于128時(shí)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入錯(cuò)誤認(rèn),可狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)送出一個(gè)活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。

（9）當(dāng)發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器大于或等于256時(shí)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)。

（1O）當(dāng)發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)和接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)均小于或等于127時(shí)，錯(cuò)誤認(rèn)可節(jié)點(diǎn)再次變?yōu)殄e(cuò)誤激活節(jié)點(diǎn)。

（11）在檢測到總線上11個(gè)連續(xù)的隱性位發(fā)送128次后，總線關(guān)閉節(jié)點(diǎn)將變?yōu)?個(gè)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器均為0的錯(cuò)誤激活節(jié)點(diǎn)。

（12）當(dāng)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器數(shù)值大于96時(shí)，說明總線被嚴(yán)重干擾。

如果系統(tǒng)啟動(dòng)期間僅有1個(gè)節(jié)點(diǎn)掛在總線上，此節(jié)點(diǎn)發(fā)出報(bào)文后，將得不到應(yīng)答，檢查出錯(cuò)誤并重復(fù)該報(bào)文，此時(shí)該節(jié)點(diǎn)可以變?yōu)殄e(cuò)誤認(rèn)可節(jié)點(diǎn)，但不會(huì)因此關(guān)閉總線。

圖13 CAN總線錯(cuò)誤處理機(jī)制

3.6 CAN總線的優(yōu)點(diǎn)

廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，可以多主方式工作；

采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；

采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時(shí)間短；

每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境下使用；

節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響；

可以點(diǎn)對點(diǎn)，一對多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。

具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)；

采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；

具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-Bus上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)；

可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文；

可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制；

發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)；

節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能；

報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。

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　　審核編輯：湯梓紅