CAN學(xué)習(xí)手記一
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在這信息爆炸的年代，學(xué)習(xí)一樣新的知識，尤其是IT技術(shù)的學(xué)習(xí)，網(wǎng)絡(luò)是必不可少的。一陣狂搜過后，發(fā)現(xiàn)基于CAN總線的介紹確實(shí)不少，但是大多好像都雷同了，也許是不斷轉(zhuǎn)貼的結(jié)果吧。而且這些知識點(diǎn)也都太零散了，讓人看了，尤其是初學(xué)者有點(diǎn)找不著北的感覺。所以，本著謙虛好學(xué)腳踏實(shí)地的菜鳥精神，決定把網(wǎng)上搜的，書上看的，再添油加醋的做一番比較系統(tǒng)的整理。算是為學(xué)習(xí)CAN總線理清思路，快速上手打基礎(chǔ)吧。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201612/330368.htm一、什么是CAN總線？
CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。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，同一網(wǎng)絡(luò)中允許掛接110個節(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)時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤檢定特性也增強(qiáng)了CAN的抗電磁干擾能力。
二、CAN 總線是如何發(fā)展的？
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(dāng)時，由于消費(fèi)者對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，同時意味著需要更多的連接信號線。提出CAN總線的最初動機(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線。于是，他們設(shè)計(jì)了一個單一的網(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，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達(dá)到10Km時，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 總線是如何工作的？
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)。
7 | 應(yīng)用層 | 最高層。用戶、軟件、網(wǎng)絡(luò)終端等之間用來進(jìn)行信息交換。如：DeviceNet |
6 | 表示層 | 將兩個應(yīng)用不同數(shù)據(jù)格式的系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)化為能共同理解的格式 |
5 | 會話層 | 依靠低層的通信功能來進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效傳遞。 |
4 | 傳輸層 | 兩通訊節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸控制。操作如：數(shù)據(jù)重發(fā)，數(shù)據(jù)錯誤修復(fù) |
3 | 網(wǎng)絡(luò)層 | 規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)連接的建立、維持和拆除的協(xié)議。如：路由和尋址 |
2 | 數(shù)據(jù)鏈路層 | 規(guī)定了在介質(zhì)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的排列和組織。如：數(shù)據(jù)校驗(yàn)和幀結(jié)構(gòu) |
1 | 物理層 | 規(guī)定通訊介質(zhì)的物理特性。如：電氣特性和信號交換的解釋 |
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。
四、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：
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、可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制；
7、發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；
8、節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能；
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)先級信息。
五、Philips制造的CAN芯片有哪些？
類別 | 型號 | 備注 |
CAN微控制器 | P87C591 | 替代P87C592 |
CAN獨(dú)立控制器 | SJA1000 | 替代82C200 |
CAN收發(fā)器 | PCA82C250 | 高速CAN收發(fā)器 |
PCA82C251 | 高速CAN收發(fā)器 | |
PCA82C252 | 容錯CAN收發(fā)器 | |
TJA1040 | 高速CAN收發(fā)器 | |
TJA1041 | 高速CAN收發(fā)器 | |
TJA1050 | 高速CAN收發(fā)器 | |
TJA1053 | 容錯CAN收發(fā)器 | |
TJA1054 | 容錯CAN收發(fā)器 | |
LIN收發(fā)器 | TJA1020 | LIN收發(fā)器 |
表2 CAN芯片一覽表
六、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”（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect）的縮寫。
利用CSMA訪問總線，可對總線上信號進(jìn)行檢測，只有當(dāng)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(diǎn)掛接到同一網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)檢測到一個沖突位時，所有節(jié)點(diǎn)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(shù)可能會造成發(fā)送信號經(jīng)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(dāng)總線上有兩個節(jié)點(diǎn)同時進(jìn)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(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號越小，則該報(bào)文擁有越高的優(yōu)先權(quán)。因此一個為全‘0’標(biāo)志符的報(bào)文具有總線上的最高級優(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。
七、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，可以特別制定一個合適的應(yīng)用層，但對于許多的行業(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：
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
八、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)志符長度是11位，而擴(kuò)展格式CAN的標(biāo)志符長度可達(dá)29位。CAN 協(xié)議的2.0A版本規(guī)定CAN控制器必須有一個11位的標(biāo)志符。同時，在2.0B版本中規(guī)定，CAN控制器的標(biāo)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(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)格式報(bào)文或29位標(biāo)識符的擴(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)，但不會出現(xiàn)錯誤。
目前，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)識符的擴(kuò)展格式報(bào)文結(jié)構(gòu)。
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