CAN總線基礎(chǔ)掃盲講座

圖1. 汽車中的CAN“身影”

一、什么是CAN ?　　

CAN，全稱為“Controller Area Network”，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?！　∫粋€(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Philips P82C250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．

二、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）?！　AN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?！　∮捎贑AN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

三、CAN簡(jiǎn)介　　

德國(guó)Bosch 公司為解決現(xiàn)代車輛中眾多的控制和數(shù)據(jù)交換問題,開發(fā)出一種CAN(Controller Area Network)現(xiàn)場(chǎng)總線通信結(jié)構(gòu)。CAN總線硬件連接簡(jiǎn)單,有良好的可靠性、實(shí)時(shí)性和性能價(jià)格比。CAN總線能夠滿足現(xiàn)代自動(dòng)化通信的需要，已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線通信領(lǐng)域中最為活躍的一支。其主要特點(diǎn)是： ① CAN總線為多主站總線，各節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，通信靈活； ② CAN總線采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，能滿足實(shí)時(shí)性要求； ③ CAN總線具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能； ④ CAN總線上每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個(gè)，并有CRC及其他校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，萬(wàn)一某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，可自動(dòng)脫離總線，總線上的其他操作不受影響； ⑤ CAN總線只有兩根導(dǎo)線，系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí)，可直接將新節(jié)點(diǎn)掛在總線上即可，因此走線少，系統(tǒng)擴(kuò)充容易，改型靈活； ⑥ CAN總線傳輸速度快，在傳輸距離小于40 m時(shí)，最大傳輸速率可達(dá)1 Mb/s； ⑦ CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路,在CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)中,其報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制?？傊?CAN總線具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、通信速率快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、互操作性好、總線協(xié)議具有完善的錯(cuò)誤處理機(jī)制、靈活性高和價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

四、CAN 總線是怎樣工作的？

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1 OSI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。

五、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。想了想，不想向教科書那樣羅嗦很多，就簡(jiǎn)單概括，也許有些你還不能立刻懂，不過你只要有個(gè)印象就行，一些知識(shí)直到你用到的時(shí)候你才會(huì)真正領(lǐng)會(huì)！這些特性包括：1、低成本；2、極高的總線利用率；3、很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離(長(zhǎng)達(dá)10Km)；4、高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá)1Mbit/s）；5、可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文；6、可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制；7、發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)；8、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；9、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。

六、Philips制造的CAN芯片有哪些？　　

表2 CAN芯片一覽表

七、CAN總線如何進(jìn)行位仲裁？　　

CSMA/CD是“載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)”（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect）的縮寫?！　±肅SMA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)?？捎昧硗獾姆椒▉斫忉專涸谙_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。

八、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?！　∫恍┛墒褂玫腃AN高層協(xié)議有：　　1、制定組織主要高層協(xié)議　　2、CiA CAL協(xié)議　　3、CiA CANOpen協(xié)議　　4、ODVA DeviceNet 協(xié)議　　5、Honeywell SDS 協(xié)議6、Kvaser CANKingdom協(xié)議

九、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?！　∧壳?，Philips公司主要推廣的CAN獨(dú)立控制器均支持CAN2.0B協(xié)議，即支持29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展格式報(bào)文結(jié)構(gòu)。