CAN總線基礎掃盲講座

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，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初，CAN被設計作為汽車環(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絡。比如：發(fā)動機管理系統(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。　　一個由CAN 總線構成的單一網絡中，理論上可以掛接無數(shù)個節(jié)點。實際應用中，節(jié)點數(shù)目受網絡硬件的電氣特性所限制。例如，當使用Philips P82C250作為CAN收發(fā)器時，同一網絡中允許掛接110個節(jié)點。CAN 可提供高達1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤檢定特性也增強了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Bosch公司最先提出。當時，由于消費者對于汽車功能的要求越來越多，而這些功能的實現(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雜，同時意味著需要更多的連接信號線。提出CAN總線的最初動機就是為了解決現(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線。于是，他們設計了一個單一的網絡總線，所有的外圍器件可以被掛接在該總線上。1993年，CAN 已成為國際標準ISO11898(高速應用)和ISO11519（低速應用）。　　CAN是一種多主方式的串行通訊總線，基本設計規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10Km時，CAN 仍可提供高達50Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率?！　∮捎贑AN總線具有很高的實時性能，因此，CAN已經在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、安全防護等領域中得到了廣泛應用

三、CAN簡介　　

德國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)場總線通信結構。CAN總線硬件連接簡單,有良好的可靠性、實時性和性能價格比。CAN總線能夠滿足現(xiàn)代自動化通信的需要，已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線通信領域中最為活躍的一支。其主要特點是： ① CAN總線為多主站總線，各節(jié)點均可在任意時刻主動向網絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，不分主從，通信靈活； ② CAN總線采用獨特的非破壞性總線仲裁技術，優(yōu)先級高的節(jié)點優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，能滿足實時性要求； ③ CAN總線具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數(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，并有CRC及其他校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率極低，萬一某一節(jié)點出現(xiàn)嚴重錯誤，可自動脫離總線，總線上的其他操作不受影響； ⑤ CAN總線只有兩根導線，系統(tǒng)擴充時，可直接將新節(jié)點掛在總線上即可，因此走線少，系統(tǒng)擴充容易，改型靈活； ⑥ CAN總線傳輸速度快，在傳輸距離小于40 m時，最大傳輸速率可達1 Mb/s； ⑦ CAN總線上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅動電路,在CAN2.0B標準中,其報文標識符幾乎不受限制。總之,CAN總線具有實時性強、可靠性高、通信速率快、結構簡單、互操作性好、總線協(xié)議具有完善的錯誤處理機制、靈活性高和價格低廉等特點。

四、CAN 總線是怎樣工作的？

CAN通訊協(xié)議主要描述設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。每一層與另一設備上相同的那一層通訊。實際的通訊發(fā)生在每一設備上相鄰的兩層，而設備只通過模型物理層的物理介質互連。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。應用層協(xié)議可以由CAN用戶定義成適合特別工業(yè)領域的任何方案。已在工業(yè)控制和制造業(yè)領域得到廣泛應用的標準是DeviceNet，這是為PLC和智能傳感器設計的。在汽車工業(yè)，許多制造商都應用他們自己的標準。

表1 OSI開放系統(tǒng)互連模型

　　CAN能夠使用多種物理介質，例如雙絞線、光纖等。最常用的就是雙絞線。信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時均是2.5V左右，此時狀態(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，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，使人們樂于選擇。想了想，不想向教科書那樣羅嗦很多，就簡單概括，也許有些你還不能立刻懂，不過你只要有個印象就行，一些知識直到你用到的時候你才會真正領會！這些特性包括：1、低成本；2、極高的總線利用率；3、很遠的數(shù)據(jù)傳輸距離(長達10Km)；4、高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達1Mbit/s）；5、可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文；6、可靠的錯誤處理和檢錯機制；7、發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；8、節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能；9、報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。

六、Philips制造的CAN芯片有哪些？　　

表2 CAN芯片一覽表

七、CAN總線如何進行位仲裁？　　

CSMA/CD是“載波偵聽多路訪問/沖突檢測”（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect）的縮寫?！　±肅SMA訪問總線，可對總線上信號進行檢測，只有當總線處于空閑狀態(tài)時，才允許發(fā)送。利用這種方法，可以允許多個節(jié)點掛接到同一網絡上。當檢測到一個沖突位時，所有節(jié)點重新回到‘監(jiān)聽’總線狀態(tài)，直到該沖突時間過后，才開始發(fā)送。在總線超載的情況下，這種技術可能會造成發(fā)送信號經過許多延遲。為了避免發(fā)送時延，可利用CSMA/CD方式訪問總線。當總線上有兩個節(jié)點同時進行發(fā)送時，必須通過“無損的逐位仲裁”方法來使有最高優(yōu)先權的的報文優(yōu)先發(fā)送。在CAN總線上發(fā)送的每一條報文都具有唯一的一個11位或29位數(shù)字的ID。CAN總線狀態(tài)取決于二進制數(shù)‘0’而不是‘1’，所以ID號越小，則該報文擁有越高的優(yōu)先權。因此一個為全‘0’標志符的報文具有總線上的最高級優(yōu)先權?？捎昧硗獾姆椒▉斫忉專涸谙_突的位置，第一個節(jié)點發(fā)送0而另外的節(jié)點發(fā)送1，那么發(fā)送0的節(jié)點將取得總線的控制權，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）之上實現(xiàn)的協(xié)議。高層協(xié)議是在CAN規(guī)范的基礎上發(fā)展起來的應用層。許多系統(tǒng)（像汽車工業(yè)）中，可以特別制定一個合適的應用層，但對于許多的行業(yè)來說，這種方法是不經濟的。一些組織已經研究并開放了應用層標準，以使系統(tǒng)的綜合應用變得十分容易。　　一些可使用的CAN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、什么是標準格式CAN和擴展格式CAN？

標準CAN的標志符長度是11位，而擴展格式CAN的標志符長度可達29位。CAN 協(xié)議的2.0A版本規(guī)定CAN控制器必須有一個11位的標志符。同時，在2.0B版本中規(guī)定，CAN控制器的標志符長度可以是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位標識符的標準格式報文或29位標識符的擴展格式報文。如果禁止CAN2.0B,則CAN 控制器只能發(fā)送和接收11位標識符的標準格式報文，而忽略擴展格式的報文結構，但不會出現(xiàn)錯誤?！　∧壳埃琍hilips公司主要推廣的CAN獨立控制器均支持CAN2.0B協(xié)議，即支持29位標識符的擴展格式報文結構。