CAN的工作原理

當(dāng)一個(gè)站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識(shí)符傳送給本站的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)。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)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個(gè)處于接收狀態(tài)的站對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行檢測(cè),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。我們可以很容易地在CAN總線中加進(jìn)一些新站而無需在硬件或軟件上進(jìn)行修改。當(dāng)所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設(shè)備時(shí),數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨(dú)立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化,即總線上控制器需要測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí),可由網(wǎng)上獲得,而無須每個(gè)控制器都有自己獨(dú)立的傳感器。

什么是CAN?

CAN，全稱為“ControllerAreaNetwork”，即控制器局域網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。最初，CAN被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置。

一個(gè)由CAN總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上可以掛接無數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。例如，當(dāng)使用PhilipsP82C250作為CAN收發(fā)器時(shí)，同一網(wǎng)絡(luò)中允許掛接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。CAN可提供高達(dá)1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實(shí)時(shí)控制變得非常容易。另外，硬件的錯(cuò)誤檢定特性也增強(qiáng)了CAN的抗電磁干擾能力。

CAN是怎樣發(fā)展起來的？

CAN最初出現(xiàn)在80年代末的汽車工業(yè)中，由德國(guó)Bosch公司最先提出。當(dāng)時(shí)，由于消費(fèi)者對(duì)于汽車功能的要求越來越多，而這些功能的實(shí)現(xiàn)大多是基于電子操作的，這就使得電子裝置之間的通訊越來越復(fù)雜，同時(shí)意味著需要更多的連接信號(hào)線。提出CAN總線的最初動(dòng)機(jī)就是為了解決現(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(hào)線。于是，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)總線，所有的外圍器件可以被掛接在該總線上。1993年，CAN已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898(高速應(yīng)用)和ISO11519（低速應(yīng)用）。

CAN是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到10Km時(shí)，CAN仍可提供高達(dá)50Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

由于CAN總線具有很高的實(shí)時(shí)性能，因此，CAN已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

CAN是怎樣工作的？

CAN通訊協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式。CAN層的定義與開放系統(tǒng)互連模型（OSI）一致。每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通訊。實(shí)際的通訊發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過模型物理層的物理介質(zhì)互連。CAN的規(guī)范定義了模型的最下面兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。下表中展示了OSI開放式互連模型的各層。應(yīng)用層協(xié)議可以由CAN用戶定義成適合特別工業(yè)領(lǐng)域的任何方案。已在工業(yè)控制和制造業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)是DeviceNet，這是為PLC和智能傳感器設(shè)計(jì)的。在汽車工業(yè)，許多制造商都應(yīng)用他們自己的標(biāo)準(zhǔn)。

表1OSI開放系統(tǒng)互連模型

CAN能夠使用多種物理介質(zhì)，例如雙絞線、光纖等。最常用的就是雙絞線。信號(hào)使用差分電壓傳送，兩條信號(hào)線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時(shí)均是2.5V左右，此時(shí)狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為“顯形”，此時(shí)，通常電壓值為：CAN_H=3.5V和CAN_L=1.5V。

CAN有哪些特性？

CAN具有十分優(yōu)越的特點(diǎn)，使人們樂于選擇。這些特性包括：
低成本
極高的總線利用率
很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離(長(zhǎng)達(dá)10Km)
高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá)1Mbit/s）
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(jí)信息

什么是CSMA/CD?

CSMA/CD是“載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)”（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetect）的
縮寫。

利用CSMA訪問總線，可對(duì)總線上信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，只有當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，才允許發(fā)送。利用這種方法，可以允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)掛接到同一網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)沖突位時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)重新回到„監(jiān)聽?總線狀態(tài)，直到該沖突時(shí)間過后，才開始發(fā)送。在總線超載的情況下，這種技術(shù)可能會(huì)造成發(fā)送信號(hào)經(jīng)過許多延遲。為了避免發(fā)送時(shí)延，可利用CSMA/CD方式訪問總線。當(dāng)總線上有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行發(fā)送時(shí)，必須通過“無損的逐位仲裁”方法來使有最高優(yōu)先權(quán)的的報(bào)文優(yōu)先發(fā)送。在CAN總線上發(fā)送的每一條報(bào)文都具有唯一的一個(gè)11位或29位數(shù)字的ID。CAN總線狀態(tài)取決于二進(jìn)制數(shù)„0?而不是„1?，所以ID號(hào)越小，則該報(bào)文擁有越高的優(yōu)先權(quán)。因此一個(gè)為全„0?標(biāo)志符的報(bào)文具有總線上的最高級(jí)優(yōu)先權(quán)。可用另外的方法來解釋：在消息沖突的位置，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送0而另外的節(jié)點(diǎn)發(fā)送1，那么發(fā)送0的節(jié)點(diǎn)將取得總線的控制權(quán)，并且能夠成功的發(fā)送出它的信息。

CAN的高層協(xié)議

CAN的高層協(xié)議（也可理解為應(yīng)用層協(xié)議）是一種在現(xiàn)有的底層協(xié)議（物理層和數(shù)據(jù)鏈路層）之上實(shí)現(xiàn)的協(xié)議。高層協(xié)議是在CAN規(guī)范的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的應(yīng)用層。許多系統(tǒng)（像汽車工業(yè)）中，可以特別制定一個(gè)合適的應(yīng)用層，但對(duì)于許多的行業(yè)來說，這種方法是不經(jīng)濟(jì)的。一些組織已經(jīng)研究并開放了應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)，以使系統(tǒng)的綜合應(yīng)用變得十分容易。

一些可使用的CAN高層協(xié)議有：
制定組織主要高層協(xié)議
CiACAL協(xié)議
CiACANOpen協(xié)議
ODVADeviceNet協(xié)議
HoneywellSDS協(xié)議
KvaserCANKingdom協(xié)議

什么是標(biāo)準(zhǔn)格式CAN和擴(kuò)展格式CAN?

標(biāo)準(zhǔn)CAN的標(biāo)志符長(zhǎng)度是11位，而擴(kuò)展格式CAN的標(biāo)志符長(zhǎng)度可達(dá)29位。CAN協(xié)議的2.0A版本規(guī)定CAN控制器必須有一個(gè)11位的標(biāo)志符。同時(shí)，在2.0B版本中規(guī)定，CAN控制器的標(biāo)志符長(zhǎng)度可以是11位或29位。遵循CAN2.0B協(xié)議的CAN控制器可以發(fā)送和接收11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)格式報(bào)文或29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展格式報(bào)文。如果禁止CAN2.0B,則CAN控制器只能發(fā)送和接收11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)格式報(bào)文，而忽略擴(kuò)展格式的報(bào)文結(jié)構(gòu)，但不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

BOSCHCAN2.0規(guī)范
簡(jiǎn)介：

1983年，德國(guó)BOSCH開始研究新一代的汽車總線；1986年，第一顆CAN-bus芯片交付應(yīng)用；1991年，由德國(guó)BOSCH公司發(fā)布CAN2.0規(guī)范；1993年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898正式出版；1995年，ISO11898進(jìn)行了擴(kuò)展，從而能夠支持29位CAN標(biāo)識(shí)符。2000年，市場(chǎng)銷售超過1億個(gè)CAN器件。

CAN2.0規(guī)范分為CAN2.0A與CAN2.0B。CAN2.0A支持標(biāo)準(zhǔn)的11位標(biāo)識(shí)符；CAN2.0B同時(shí)支持標(biāo)準(zhǔn)的11位標(biāo)識(shí)符和擴(kuò)展的29位標(biāo)識(shí)符。CAN2.0規(guī)范的目的是為了在任何兩個(gè)基于CAN-bus的儀器之間建立兼容性；規(guī)范定義了傳輸層，并定義了CAN協(xié)議在周圍各層當(dāng)中所發(fā)揮的作用。CAN2.0規(guī)范涉及兼容性的不同方面，比如電氣特性和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的解釋。為了達(dá)到設(shè)計(jì)透明度以及實(shí)現(xiàn)柔韌性，CAN被細(xì)分為以下不同的層次：
CAN對(duì)象層（theobjectlayer）
CAN傳輸層（thetransferlayer）
物理層（thephyicallayer）
對(duì)象層和傳輸層包括所有由ISO/OSI模型定義的數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)和功能。定義對(duì)象處理較為靈活。對(duì)象層的作用范圍包括：
查找被發(fā)送的報(bào)文。
確定由實(shí)際要使用的傳輸層接收哪一個(gè)報(bào)文。
為應(yīng)用層相關(guān)硬件提供接口。

傳輸層的作用主要是傳送規(guī)則，也就是控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、出錯(cuò)標(biāo)定、故障界定?？偩€上什么時(shí)候開始發(fā)送新報(bào)文及什么時(shí)候開始接收?qǐng)?bào)文，均在傳輸層里確定。位定時(shí)的一些普通功能也可以看作是傳輸層的一部分。理所當(dāng)然，傳輸層的修改是受到限制的。

物理層的作用是在不同節(jié)點(diǎn)之間根據(jù)所有的電氣屬性進(jìn)行位信息的實(shí)際傳輸。當(dāng)然，同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，物理層對(duì)于所有的節(jié)點(diǎn)必須是相同的。盡管如此，在選擇物理層方面還是很自由的。

作為通用、有效、可靠及經(jīng)濟(jì)的平臺(tái)，CAN-bus已經(jīng)廣泛地受到了歡迎。它可以使用于汽車系統(tǒng)、機(jī)械、技術(shù)設(shè)備和工業(yè)自動(dòng)化里幾乎任何類型的數(shù)據(jù)通信。

CAN2.0規(guī)范沒有規(guī)定媒體的連接單元以及其駐留媒體，也沒有規(guī)定應(yīng)用層。因此，用戶可以直接建立基于CAN2.0規(guī)范的數(shù)據(jù)通信；不過，這種數(shù)據(jù)通信的傳輸內(nèi)容一般不能靈活修改，適合于固定通訊方式。

由于CAN2.0規(guī)范沒有規(guī)定信息標(biāo)識(shí)符的分配，因此可以根據(jù)不同應(yīng)用使用不同的方法。所以，在設(shè)計(jì)一個(gè)基于CAN的通訊系統(tǒng)時(shí)，確定CAN標(biāo)識(shí)符的分配非常重要，標(biāo)識(shí)符的分配和定位也是應(yīng)用協(xié)議、高層協(xié)議的其中一個(gè)主要研究項(xiàng)目。