CAN總線協(xié)議原理特點(diǎn)解讀

會(huì)計(jì)學(xué)1CAN總線協(xié)議原理特點(diǎn)解讀2CAN

總線

CAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域網(wǎng)，可以歸屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇，通常稱為CANbus，即CAN總線，是目前國際上應(yīng)用最廣泛的開放式現(xiàn)場總線之一。CAN最初出現(xiàn)在汽車工業(yè)中，80年代由德國Bosch公司最先提出。最初動(dòng)機(jī)是為了解決現(xiàn)代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通訊，減少不斷增加的信號線。

與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，它在汽車領(lǐng)域上的應(yīng)用最為廣泛，世界上一些著名的汽車制造廠商，如BENZ(奔馳)、BMW(寶馬)、volkswagen(大眾)等都采用了CAN總線來實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。第1頁/共21頁31993年CAN成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898(高速應(yīng)用)和ISO11519（低速應(yīng)用）。CAN的規(guī)范從CAN1.0規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn)格式)發(fā)展為兼容CAN1.2規(guī)范的CAN2.0規(guī)范(CAN2.0A為標(biāo)準(zhǔn)格式，CAN2.0B為擴(kuò)展格式)，目前應(yīng)用的CAN器件大多符合CAN2.0規(guī)范。

由于CAN總線的特點(diǎn)，得到了Motorola，Intel，Philip，Siemence，NEC等公司的支持，它廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍目前已不僅局限于汽車行業(yè)，已經(jīng)在自動(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)域中得到了廣泛應(yīng)用。一、CAN

總線第2頁/共21頁4二、CAN的工作原理、特點(diǎn)1．CAN

的工作原理

CAN總線標(biāo)準(zhǔn)包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，其中鏈路層定義了不同的信息類型、總線訪問的仲裁規(guī)則及故障檢測與故障處理的方式。

當(dāng)CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它以報(bào)文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。每組報(bào)文開頭的11位字符為標(biāo)識符(CAN2.0A)，定義了報(bào)文的優(yōu)先級，這種報(bào)文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識符傳送給本節(jié)點(diǎn)的CAN芯片，并處于準(zhǔn)備狀態(tài)；當(dāng)它收到總線分配時(shí)，轉(zhuǎn)為發(fā)送報(bào)文狀態(tài)。第3頁/共21頁5

CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報(bào)文格式發(fā)出，這時(shí)，網(wǎng)上的其它節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)。

每個(gè)處于接收狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)對接收到的報(bào)文進(jìn)行檢測，判斷這些報(bào)文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。

由于CAN總線是一種面向內(nèi)容的編址方案，因此很容易建立高水準(zhǔn)的控制系統(tǒng)并靈活地進(jìn)行配置。可以很容易地在CAN總線中加進(jìn)一些新節(jié)點(diǎn)而無需在硬件或軟件上進(jìn)行修改。1．CAN的工作原理二、CAN的工作原理、特點(diǎn)第4頁/共21頁62．CAN總線特點(diǎn)

CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級判別等項(xiàng)工作。

CAN總線特點(diǎn)如下：（1）多主機(jī)方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。（2）網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)（信息）可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。

（3）采用非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機(jī)制，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時(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)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。第5頁/共21頁7（4）

可以點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)（成組）及全局廣播幾種傳送方式接收數(shù)據(jù)。（5）直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)6km（速率10Kbps以下）。（6）通信速率最高可達(dá)1MB/s（此時(shí)距離最長30m）。（7）節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。（8）采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)。（9）每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。（10）通信介質(zhì)可采用雙絞線，同軸電纜和光導(dǎo)纖維，一般采用廉價(jià)的雙絞線即可，無特殊要求。（11）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，以使總線上的其他操作不受影響。第6頁/共21頁8三、CAN總線報(bào)文及結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)幀

11位標(biāo)識符擴(kuò)展幀

29位標(biāo)識符幀類型

數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和過載幀

數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)從發(fā)送器至接收器?？偩€上傳輸?shù)拇蠖嗍沁@個(gè)幀。

遠(yuǎn)程幀：由總線單元發(fā)出，請求發(fā)送具有同一識別符的數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）通過幀間空間與其他各幀分開。

錯(cuò)誤幀：任何單元一但檢測到總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀。

過載幀：過載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間提供一附加的延時(shí)。第7頁/共21頁9四、CAN數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式第8頁/共21頁10數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式幀起始（SOF）僅由一顯位構(gòu)成。所有站都必須同步于首先發(fā)送的那個(gè)幀起始前沿；仲裁場（標(biāo)準(zhǔn)格式）由11位標(biāo)識符ID28~ID18、遠(yuǎn)程發(fā)送請求位RTR（RemoteTransmissionRequestBIT）組成，其中ID高七位不可全為1（隱性）；仲裁場（擴(kuò)展格式）由29位標(biāo)識符ID28~ID0、SRR位、識別符擴(kuò)展位IDE(IdentifierExtensionBit)位、RTR位組成；SRR是隱性位，它用于替代標(biāo)準(zhǔn)格式的RTR位。IDE=1（隱性）代表擴(kuò)展格式。IDE位在擴(kuò)展格式中位于仲裁場而在標(biāo)準(zhǔn)格式中位于控制場。第9頁/共21頁11數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式控制場由6個(gè)位組成數(shù)據(jù)長度碼DLC3~DLC0指示數(shù)據(jù)場的字節(jié)數(shù)，0~8，其它數(shù)值不允許使用。保留位r1和r0必須為0，IDE(標(biāo)準(zhǔn)格式)=0數(shù)據(jù)場：0~8個(gè)字節(jié)，8位/字節(jié)，MSB先發(fā)CRC場由15位CRC序列和1位CRC界定符組成。CRC界定符為一隱性位。保留位控制場數(shù)據(jù)場或CRC場數(shù)據(jù)長度碼仲裁場IDE/r1r0DLC3DLC2DLC1DLC0第10頁/共21頁12CAN總線位仲裁技術(shù)只要總線空閑，任何單元都可以開始發(fā)送報(bào)文。要對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，就必須將數(shù)據(jù)快速傳送，這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個(gè)站同時(shí)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，要求快速地進(jìn)行總線分配。

如果2個(gè)或2個(gè)以上的單元同時(shí)開始傳送報(bào)文，那么就會(huì)有總線訪問沖突。通過使用識別符的位形式仲裁可以解決這個(gè)沖突。CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，報(bào)文的優(yōu)先級結(jié)合在11位標(biāo)識符中，具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)被確立后就不能再被更改。總線讀取中的沖突可通過位仲裁解決。

第11頁/共21頁13CAN總線位仲裁技術(shù)仲裁的機(jī)制確保信息和時(shí)間均不會(huì)損失。當(dāng)具有相同識別符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時(shí)初始化時(shí)，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀。CAN總線采用非歸零(NRZ)編碼，所有節(jié)點(diǎn)以“線與”方式連接至總線。如果存在一個(gè)節(jié)點(diǎn)向總線傳輸邏輯0，則總線呈現(xiàn)邏輯0狀態(tài)，而不管有多少個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送邏輯1。CAN網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)可能試圖同時(shí)發(fā)送，但其簡單的仲裁規(guī)則確保僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)控制總線、并發(fā)送信息。低有效輸出狀態(tài)(0)起決定性作用。仲裁期間，每一個(gè)發(fā)送器都對發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的總線電平進(jìn)行比較。如果電平相同，則這個(gè)單元可以繼續(xù)發(fā)送。如果發(fā)送的是一“隱性”電平(邏輯1)而監(jiān)測到一“顯性”電平(邏輯0)，那么該單元就失去了仲裁，必須退出發(fā)送狀態(tài)。第12頁/共21頁14丟掉丟掉跟蹤站3報(bào)文站1報(bào)文站2報(bào)文01111110000報(bào)文標(biāo)識符010011000000100111000010100110000001001110000101001100000

所有標(biāo)識符都有相同的兩位01，直到第3位進(jìn)行比較時(shí)，站1的報(bào)文被丟掉，因?yàn)樗牡?位為高，而其它兩個(gè)站的報(bào)文第3位為低。站2和站3報(bào)文的4、5、6位相同，直到第7位時(shí)，站3的報(bào)文才被丟失。CAN總線位仲裁技術(shù)第13頁/共21頁15優(yōu)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪一個(gè)站的報(bào)文被傳送以前，報(bào)文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上傳送了。所有未獲得總線讀取權(quán)的站都成為具有最高優(yōu)先權(quán)報(bào)文的接收站，并且不會(huì)在總線再次空閑前發(fā)送報(bào)文。CAN具有較高的效率是因?yàn)榭偩€僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用，這些請求是根據(jù)報(bào)文在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。CAN總線位仲裁技術(shù)第14頁/共21頁16缺點(diǎn)由于CAN總線采用的是固定優(yōu)先級，當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)都隨機(jī)的向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，具有低優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)是比具有高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)具有較大的發(fā)送失敗幾率。每次具有較低優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)都會(huì)在總線競爭中失敗，從而導(dǎo)致它一個(gè)數(shù)據(jù)都發(fā)不出去，或者發(fā)送的數(shù)據(jù)有較大的延時(shí)。CAN總線位仲裁技術(shù)第15頁/共21頁17錯(cuò)誤處理CAN控制器內(nèi)置TX和RX出錯(cuò)計(jì)數(shù)器，根據(jù)出錯(cuò)是全局的還是本地的，計(jì)數(shù)器以此決定加1還是加8；每當(dāng)收到信息，出錯(cuò)計(jì)數(shù)器就會(huì)增加或減少。如果每次收到的信息是正確的，則計(jì)數(shù)器減1；如果信息出現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤，則計(jì)數(shù)器加1。如果信息出現(xiàn)本地錯(cuò)誤，則計(jì)數(shù)器加8；第16頁/共21頁18錯(cuò)誤處理通過查詢出錯(cuò)計(jì)數(shù)器值，就可以知道通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。這種計(jì)數(shù)器方式確保了單個(gè)故障節(jié)點(diǎn)不會(huì)阻塞整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)本地錯(cuò)誤，其計(jì)數(shù)值將很快達(dá)到96、127或255。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到96時(shí)，它將向節(jié)點(diǎn)微控制器發(fā)出中斷，提示當(dāng)前通信質(zhì)量較差。當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到127時(shí)，該節(jié)點(diǎn)假定其處于“被動(dòng)出錯(cuò)狀態(tài)”，即繼續(xù)接收信息，且停止要求對方重發(fā)信息。當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到255時(shí)，該節(jié)點(diǎn)脫離總線，不再工作，且只有在硬件復(fù)位后，才能恢復(fù)工作狀態(tài)。第17頁/共21頁19主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)是可以正常參加總線通信的狀態(tài)。處于主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元檢測出錯(cuò)誤時(shí)，輸出主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)是易引起錯(cuò)誤的狀態(tài)。處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元雖能參加總線通信，但為不妨礙其它單元通信，接收時(shí)不能積極地發(fā)送錯(cuò)誤通知。處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元即使檢測出錯(cuò)誤，而其它處于主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元如果沒發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，整個(gè)總線也被認(rèn)為是沒有錯(cuò)誤的。處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元檢測出錯(cuò)誤時(shí)，輸出被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。錯(cuò)誤狀態(tài)類型第18頁/共21頁20CAN

控制器與收發(fā)器CAN總線規(guī)范采用了ISO-OSI（OpenSystemInterconnectionReferenceModel，開放式通信系統(tǒng)互聯(lián)參考模型）的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有三種不同的器件與之相對應(yīng)。對應(yīng)物理層的是收發(fā)器；對應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路層的是CAN控制器；應(yīng)用層上主要是用戶特殊的應(yīng)用，對應(yīng)的器件是微控制器。第19頁/共21頁21CAN

控制器與收發(fā)器完成CAN規(guī)范所規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層大部分功能。有微處理器接口，易于連接單片機(jī)。結(jié)構(gòu)分兩種類型，獨(dú)立CAN控制器