can總線協(xié)議完全解析

1、can總線協(xié)議完全解析編制僅供參考審核批準(zhǔn)生效日期地址： 電話：傳真: 郵編:CAN總線協(xié)議解析李玉麗（吉林建筑工程學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，吉林長春，130021 ）摘 要：現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展與應(yīng)用引起了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變。控制局域網(wǎng)（C AN）總線因其自身的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域。本文對(duì)C AN總線協(xié)議作了詳盡解析。關(guān)鍵詞：C AN總線；隱性位；顯性位；節(jié)點(diǎn)中圖分類號(hào)：T U 85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ACAN（Cont roll e r A rea N et work）是分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)，稱謂CAN總線。在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸中，設(shè)計(jì)獨(dú)特、低成本，具有高可靠性，得到廣泛應(yīng)用。本

2、文著重解析 C AN 技術(shù)規(guī)范 2.0B 版的 CAN的分層結(jié)構(gòu)規(guī)范和 CAN 報(bào)文結(jié)構(gòu)規(guī)范。重點(diǎn)在于充分理解 CAN總線協(xié)議精髓，有助于CAN總線的局網(wǎng)設(shè)計(jì)、軟件編程、局網(wǎng)維護(hù)。一、C AN的分層結(jié)構(gòu)CAN 遵從O SI( Ope n Syste m I nte rc onnec ti onRe fe re nce Mode l) 模型，其分層結(jié)構(gòu)由高到低如圖1所示。圖1 C AN的分層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng) OSI 模型為兩層，實(shí)際為三層，即 LLC、MA C、PL S。由此而知，對(duì)應(yīng)于CAN總線系統(tǒng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是三層結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流為LLCMA CP LS ，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上；而對(duì)于掛在總

3、線上的所有節(jié)點(diǎn)（包括發(fā)送節(jié)點(diǎn)）的接收的數(shù)據(jù)流為PL SMA CLLC。這種分層結(jié)構(gòu)的規(guī)范保證了 CAN 總線的多主方式工作模式，即不分主從，非破壞性的仲裁工作模式。而 LLC 層的報(bào)文濾波功能可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、全局廣播、多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)，多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)等數(shù)據(jù)傳遞方式。各分層主要功能如下：LLC 層：接收濾波、超載通知、恢復(fù)管理；MAC 層：控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、出錯(cuò)標(biāo)定、故障界定。該層是CAN的核心；PL S 層：位編碼/ 解碼、位定時(shí)。二、CAN總線的報(bào)文規(guī)范CAN報(bào)文的傳送有 4 種不同類型的幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)幀、超載幀。CA B2.0B 有4 種幀格式。（一）數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)

4、幀攜帶由發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)（或發(fā)送器到接收器），由 7 個(gè)不同的位場(chǎng)組成：幀起始位、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC 場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、幀結(jié)束。如圖2 所示。圖2 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)CAN2.0B 中存在兩種不同的幀格式。主要區(qū)別在于標(biāo)識(shí)符的長度。具有11 位標(biāo)識(shí)符的幀稱為標(biāo)準(zhǔn)幀，具有29位標(biāo)識(shí)符的幀稱為擴(kuò)展幀。本文只對(duì)第3 卷第3 期2008年9 月長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（高教版）J ourn a l o f C h a ngc hun U ni v e r s it y of S c i e n ce a ndT ec hno l ogy（H i ghe r E duca ti onE d iti on）Vol

5、. 3 No. 3Sep. 2008* 收稿日期：2008 05 14作者簡介：李玉麗（1973 ），女，本科，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橹悄芙ㄖ姎庠O(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控。標(biāo)準(zhǔn)幀進(jìn)行解析。1.幀起始標(biāo)志位（SOF）由一個(gè)顯性位構(gòu)成，表明某個(gè)節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送信息，所有其它節(jié)點(diǎn)必須與此同步（硬同步），但只有在總線空閑時(shí)才允許起始位的發(fā)送。2.仲裁場(chǎng)（1）仲裁場(chǎng)的組成仲裁場(chǎng)如圖3所示。圖3 仲裁場(chǎng)的組成標(biāo)識(shí)符為11位，遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求RTR為一個(gè)顯性位。（2）仲裁與優(yōu)先級(jí)CAN總線的通訊模式為：載波監(jiān)測(cè)、多主掌控/沖突（CSMA/CA）。這就使得總線上任一個(gè)節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送信息的機(jī)會(huì)是均等的。只要總線空閑，誰都可以發(fā)送。但如

6、果在同一時(shí)刻有兩上或兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息，這就發(fā)生沖突，這就需要仲裁，而且獲得仲裁的信息不受破壞。CAN是按位進(jìn)行仲裁。當(dāng)節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送信息同時(shí)，也在讀取總線的電平。如果發(fā)送的電平與讀取的電平相同，則繼續(xù)發(fā)送下一位，若不同則停止發(fā)送，退出競(jìng)爭(zhēng)。余下的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)重復(fù)上述過程，直到總線上只剩下一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的電平。而在沖突中被仲裁下的節(jié)點(diǎn)，待下一個(gè)總線空閑期再次嘗試發(fā)送。這種總裁技術(shù)明顯可以看出，在仲裁幀中，標(biāo)識(shí)符的二進(jìn)制數(shù)值小者有較高優(yōu)先級(jí)。換句話在諸多競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)中，如果報(bào)文標(biāo)識(shí)符的值最小，則此報(bào)文的優(yōu)先級(jí)最高。3.控制場(chǎng)控制場(chǎng)如圖4所示。圖4 控制場(chǎng)組成IDE：在CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)格式IDE應(yīng)為

7、顯性（隱性用r表示）。r0：保留位。DLC3DLC0：數(shù)據(jù)長度，最大數(shù)值為rddd（即隱顯顯顯）。通?！帮@性”表示傳輸0，“隱性”表示傳輸1，則最大數(shù)據(jù)為1000H，即8。4.數(shù)據(jù)場(chǎng)數(shù)據(jù)場(chǎng)即為被發(fā)送的數(shù)據(jù)，長度為08個(gè)字節(jié)，取決于控制場(chǎng)中數(shù)據(jù)長度DL3DL0。首先發(fā)送的最高有效位。5.CRC場(chǎng)CRC場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5 CRC場(chǎng)結(jié)構(gòu)CRC場(chǎng)由CRC序列和CRC界定符組成，CRC序列為16位CRC檢驗(yàn)碼，CRC界定符用于標(biāo)注CRC序列的結(jié)束，為一位隱形位。CRC檢驗(yàn)范圍從幀起始位開始直到數(shù)據(jù)場(chǎng)結(jié)束。其生成多項(xiàng)式為15+14+10+8+7+4+3+1。6.應(yīng)答場(chǎng)（ACK）應(yīng)答場(chǎng)為兩位，如圖6所示

8、。圖6 應(yīng)答場(chǎng)組成在應(yīng)答場(chǎng)中發(fā)送節(jié)點(diǎn)送出2個(gè)隱性位，所有接收到匹配CRC序列的節(jié)點(diǎn)，在應(yīng)答間隙發(fā)送一個(gè)顯示位，以報(bào)告發(fā)送器接收無誤。應(yīng)答界定符為一個(gè)隱性位。7.幀結(jié)束由7個(gè)隱性位構(gòu)成，表示一幀內(nèi)容結(jié)束。（二）遠(yuǎn)程幀節(jié)點(diǎn)A如果索取B節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，則由A發(fā)送遠(yuǎn)程幀，其A節(jié)點(diǎn)在仲裁場(chǎng)的標(biāo)識(shí)符應(yīng)為B節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符相同。遠(yuǎn)程幀由幀起始位、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、幀結(jié)束6個(gè)場(chǎng)組成。它與數(shù)據(jù)幀的區(qū)別有：仲裁場(chǎng)的RTR位為隱性，標(biāo)識(shí)此幀為遠(yuǎn)程幀；無數(shù)據(jù)場(chǎng)；控制場(chǎng)中的PLC可為08的任意數(shù)值，但無意義。說明：對(duì)于仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC場(chǎng)、幀間空間使用填充技術(shù)進(jìn)行編碼，即每5個(gè)同狀態(tài)電平插入一位與

9、它相補(bǔ)的電平，還原時(shí)再予以刪除。（三）出錯(cuò)幀1.出錯(cuò)幀格式出錯(cuò)幀由2場(chǎng)組成，如圖7所示。圖7 出錯(cuò)幀結(jié)構(gòu)長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（高教版） 182 第3卷錯(cuò)誤標(biāo)志具有兩種形式：活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)（由6個(gè)顯位組成）、認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)（由6個(gè)隱位組成）。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出錯(cuò)誤幀時(shí)，其出錯(cuò)標(biāo)識(shí)為連續(xù)6個(gè)顯性位或連續(xù)6個(gè)隱性位。CAN總線規(guī)定使用填充技術(shù)的編碼不允許連續(xù)出現(xiàn)6個(gè)同狀態(tài)電平，某一節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)傳送后，其它節(jié)點(diǎn)由于總線上的連續(xù)電平的出現(xiàn)，破壞幀格式，補(bǔ)發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)，因此錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)疊加后占612位。各節(jié)點(diǎn)在發(fā)出錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)之后，都在監(jiān)視總線，當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)隱性位后，再發(fā)送7個(gè)隱性位，故錯(cuò)誤界定符為8個(gè)隱性位。2.CAN總線的錯(cuò)

10、誤類型CAN總線有5種錯(cuò)誤類型、它們互不排斥。位錯(cuò)誤：總線檢測(cè)出某一位出錯(cuò)。填充錯(cuò)誤：使用填充方法進(jìn)行編碼為報(bào)文中，出現(xiàn)6個(gè)連續(xù)相同的電平。CRC錯(cuò)誤：CRC值不匹配。形式錯(cuò)誤：固定的位場(chǎng)中出現(xiàn)非法位。應(yīng)答錯(cuò)誤：在應(yīng)答間隙，發(fā)送節(jié)點(diǎn)未檢測(cè)到顯性位。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到一個(gè)CRC錯(cuò)誤時(shí)，標(biāo)識(shí)在應(yīng)答界定符之后發(fā)送，而其它錯(cuò)誤在檢測(cè)出錯(cuò)誤的下一位發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)。3.CAN總線故障界定及處理每個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)都設(shè)有發(fā)送出錯(cuò)記數(shù)器和接收出錯(cuò)計(jì)數(shù)器。發(fā)送器送出一個(gè)錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)時(shí)，發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器加8，接收器檢測(cè)出一個(gè)錯(cuò)誤，接收錯(cuò)誤記數(shù)器加1或加8，報(bào)文成功發(fā)送后，發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器減1，接報(bào)文成功接收后，接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器減

11、1，有了如上規(guī)定之后，即可定義故障界定：一個(gè)節(jié)點(diǎn)如果其錯(cuò)誤計(jì)數(shù)值在1127（含1、127）則為錯(cuò)誤激活節(jié)點(diǎn)；在128255（含128、255）則為錯(cuò)誤認(rèn)可節(jié)點(diǎn)。錯(cuò)誤激活節(jié)點(diǎn)檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)送活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)。錯(cuò)誤認(rèn)可節(jié)點(diǎn)檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)送認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)；當(dāng)錯(cuò)誤讀數(shù)值大于或等于256時(shí)，總線關(guān)閉。錯(cuò)誤計(jì)數(shù)值大于96時(shí)，說明總線被嚴(yán)重干擾。對(duì)于總線關(guān)閉的節(jié)點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)總線上11個(gè)連續(xù)隱性位發(fā)生128次，則此節(jié)點(diǎn)總線啟動(dòng)，成為錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器為零值的錯(cuò)誤激活節(jié)點(diǎn)。（四）超載幀超載幀用于在接收節(jié)點(diǎn)未準(zhǔn)備好的情況下請(qǐng)求對(duì)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀延時(shí)，由2個(gè)位場(chǎng)組成，見圖8。圖8 超載幀結(jié)構(gòu)超載標(biāo)志及超載界定符與出錯(cuò)幀標(biāo)識(shí)相同，

12、其引發(fā)和處理過程也是一樣的。（五）幀間空間不管何種幀，均以稱之為幀間空間的位場(chǎng)分開，但超載幀、出錯(cuò)幀之前無幀間空間，如圖9所示。圖9 幀間空間結(jié)構(gòu)間歇場(chǎng)為3個(gè)隱位，在此期間不允許啟動(dòng)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀?？偩€空閑周期可以任意長。參考文獻(xiàn)：1李正軍.現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.人民郵電出版社，2006.2史久根，張培仁，陳真勇.CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)M.國防工業(yè)出版社，2004.3求是科技.單片機(jī)通訊技術(shù)與工程實(shí)踐M.人民郵電出版社，2005.TheAnalysisofCANProtocolLi Yuli（ElectronicSchool ofJilinArchitectural andCivil EngineeringInstitute，Changchun130021，China）Abstract：Thedevelopment andapplicationoffieldbuscausedthechangesforthetraditional control system.Control LAN（CAN）busa