基于CAN總線的通信技術(shù)應(yīng)用解析

蘭 星

（延安大學(xué) 西安創(chuàng)新學(xué)院，延安 710100）

CAN(Controller Area Network)是控制器局域網(wǎng)絡(luò)的簡稱，由德國BOSCH公司研發(fā)、生產(chǎn)，最終成為國際標(biāo)準(zhǔn).隨著近年來控制器局域網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，CAN已成國際上廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場總線.CAN以其高水平的可靠性及準(zhǔn)確的檢錯能力受到重視，在汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電磁輻射較強(qiáng)、環(huán)境惡劣及振動較大的工業(yè)中廣泛使用.

1 CAN總線概述

CAN總線的協(xié)議分層為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層.其數(shù)據(jù)鏈路層有其獨(dú)特的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)鏈路層中的媒介訪問子層是CAN協(xié)議核心，媒介訪問子層的主要功能是，對數(shù)據(jù)進(jìn)行拆裝和封裝、執(zhí)行幀編碼、處理邏輯鏈路控制子層接收的報(bào)文和對邏輯鏈路控制子層發(fā)送認(rèn)可報(bào)文，媒介訪問子層中的媒體訪問管理功能很好地發(fā)揮了其非破壞性的總線仲裁機(jī)制.此外，媒介訪問子層還擁有檢測錯誤及錯誤標(biāo)定兩項(xiàng)功能.媒介訪問子層被一個稱謂故障限定的管理實(shí)體時(shí)刻監(jiān)控，這個管理時(shí)刻能夠識別永久性故障以及具有自檢短暫擾動的功能.邏輯鏈路控制子層具有超載通知、報(bào)文濾波以及恢復(fù)管理等功能.

CAN總線可靠性是指在數(shù)據(jù)傳輸過程中對數(shù)據(jù)錯誤的識別力，采用的錯誤識別方式對系統(tǒng)可靠性有很大影響.CAN總線采用循環(huán)冗余校驗(yàn)方法，具體的實(shí)現(xiàn)過程如下：循環(huán)冗余檢驗(yàn)由通信控制器內(nèi)部的硬件電路協(xié)助完成，通信控制器在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，要一邊進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)，另外同時(shí)對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余處理，等到本幀的數(shù)據(jù)全部發(fā)送結(jié)束后，CPU不需要繼續(xù)向寄存器中發(fā)送數(shù)據(jù)，這是，通信控制器只需要把循環(huán)冗余計(jì)算的最終結(jié)果發(fā)送出去即可.在接收數(shù)據(jù)時(shí)，通信控制器對所有的接收數(shù)據(jù)都要進(jìn)行循環(huán)冗余計(jì)算處理，直至幀后定界碼.除了循環(huán)冗余校驗(yàn)，CAN總線還有幾種檢驗(yàn)方法，比如應(yīng)答錯誤檢查、幀檢查、位填充檢測以及總線檢測等等，這些校驗(yàn)方法在很大程度上降低了錯誤的漏檢率.另外CAN總線通信方式也極大地影響著通信系統(tǒng)可靠性，在CAN通信協(xié)議中，CAN的通信方式采用應(yīng)答方式，應(yīng)答方式通信中，發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)通過數(shù)據(jù)幀的應(yīng)答場來接收其他節(jié)點(diǎn)應(yīng)答信息，若其他的節(jié)點(diǎn)能正確無誤地接收到報(bào)文，此時(shí)應(yīng)答場發(fā)送一個線性位，即0，若果發(fā)送節(jié)點(diǎn)沒有收到0則認(rèn)為發(fā)送出現(xiàn)錯誤，此時(shí)要重新發(fā)送報(bào)文.

CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)來保證自身實(shí)時(shí)性.CAN的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以分為不等的優(yōu)先級，以此來滿足不同的要求.如果有兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，較低地優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)要主動放棄發(fā)送數(shù)據(jù)，然而優(yōu)先級別較高的節(jié)點(diǎn)不受影響可繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣可以避免總線沖突，有效地提升了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度.

CAN系統(tǒng)通常通過硬同步和重同步來完成系統(tǒng)同步.第一種硬同步，系統(tǒng)硬同步之后，位時(shí)間通過每個位定時(shí)邏輯單元啟動，此時(shí)由硬同步強(qiáng)迫而一起的硬同步邊沿處在重新啟動位定時(shí)同步段之內(nèi).第二種重同步，系統(tǒng)完成重同步之后，Phase-seg1被延長，或者Phase-seg2被素緞，延長或縮短的緩沖段之和符合重同步跳轉(zhuǎn)寬度給定的上限.一般來說，重同步常常在報(bào)文位流發(fā)送的過程中發(fā)生，這樣可以有效地補(bǔ)償個別的CAN控制器振蕩器頻率變化或者報(bào)文位流由一個發(fā)送器發(fā)送至另一發(fā)送器時(shí)產(chǎn)生的變化.但是，CAN系統(tǒng)通硬同步和重同步有嚴(yán)格遵守下面的幾個規(guī)則：（1）每個位時(shí)間只許一種同步；（2）先前讀總線的數(shù)值（即）先前采樣點(diǎn)檢測的數(shù)據(jù)要區(qū)別于邊沿之后出現(xiàn)的總線數(shù)值，而邊沿要用于同步；（3）在總線空閑時(shí)，出現(xiàn)隱性至顯性跳變即為完成系統(tǒng)硬同步；（4）在滿足上述規(guī)則隱性至顯性跳變之外的其他跳變沿可以用于重同步.

在通信方面，CAN采用的非破壞性總線仲裁技術(shù)可以進(jìn)行多方式的工作，也就是說，CAN網(wǎng)絡(luò)在任一時(shí)刻.任何一個節(jié)點(diǎn)都可以主動向網(wǎng)絡(luò)上其他的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，這種通信方式不分主動，靈活多變.CAN最遠(yuǎn)的通信距離為10KM/5Kbps，最高通信率約為1Mbps/40m.CAN節(jié)點(diǎn)理論數(shù)值為2000，但實(shí)際上為110.CAN通信介質(zhì)是常用的廉價(jià)雙絞線，此外，CAN可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一對多點(diǎn)以及全局廣播等多種方式進(jìn)行傳送和接收數(shù)據(jù).

CAN總線具有的可靠性高、實(shí)時(shí)性好、軟硬件投資少等特點(diǎn)，成為當(dāng)前最受歡迎的通信技術(shù)之一.

2 基于CAN總線的嵌入式輕型網(wǎng)管和局域網(wǎng)之間的互聯(lián)

目前，我國嵌入式輕型網(wǎng)關(guān)中采用基于CAN總線的通信技術(shù).下面探討基于CAN總線的嵌入式輕型網(wǎng)關(guān)和局域網(wǎng)之間的互聯(lián).

采用嵌入式輕型網(wǎng)關(guān)最主要的是要考慮如何實(shí)現(xiàn)PC機(jī)之間的局域網(wǎng)連接通信.一般來說，常有兩種通信方式：并行和串行.在實(shí)際中常采用RS-232串口通信方式，同時(shí)在電路設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留出擴(kuò)展并口.下面對串行通信和并行通信分別進(jìn)行分析：

串行通信：串行通信具有成本低、使用線路少等優(yōu)點(diǎn)，因此在遠(yuǎn)程傳輸通信中被廣泛采用.串行通信通信雙方要求使用同一個標(biāo)準(zhǔn)接口，這樣可以方便地把不同的設(shè)別連接起來通信.RS-232是目前最為常用的串行通信接口之一，不同于其他的通信方式，RS232中所有的信號線電壓都是負(fù)邏輯關(guān)系，邏輯0表示+5v至+15v，邏輯1表示-5v至-15v.這個邏輯標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接收器可以識別低+3v信號作為邏輯0，高到-3v信號作為邏輯1.物理接口RS-232常使用型號DB-25的25芯接口連接器，DCE端是插頭，DTE端是插座.現(xiàn)在大部分的設(shè)備與PC機(jī)連接的串行通信RS-232接口不適用對方傳送控制信號，所以通常只是用發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和信號地三條接口線，也就是DB-9的插頭座.傳輸線通常會是用屏蔽雙絞線，在RS-232規(guī)定的碼元畸變小于4%的要求下，傳輸線應(yīng)該為50英尺，碼元畸變4%是較為保守的估計(jì)，一般情況下約99%用戶在10%至20%的碼元畸變范圍內(nèi)工作，因此一般傳輸電纜長度會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過50英尺.但是現(xiàn)在使用的RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)時(shí)間比較早，難免不能適應(yīng)現(xiàn)在傳輸要求，比如接口信號電平值較高、接口電路芯片易損壞、傳輸速率較低等等這些限制這RS-232串口通信方式.

并行通信：在電路板設(shè)計(jì)的時(shí)候就預(yù)留了并行擴(kuò)展口，這樣可以通過并口的使用提高通信速度.以往并行通信的使用多事采取標(biāo)準(zhǔn)的SPP協(xié)議，這個協(xié)議8位的并行端口是單向端口，也就是說只允許PC機(jī)向外部傳送數(shù)據(jù)，卻不允許接收外部數(shù)據(jù)，如果需要接收數(shù)據(jù)，此時(shí)將狀態(tài)線作為輸入數(shù)據(jù)線來用，并且狀態(tài)線不滿8位要進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接.并行口SPP協(xié)議局限性在一定程度上限制了并行通信在數(shù)據(jù)采集、控制以及通信方面的應(yīng)用，為此制定了EPP協(xié)議，EPP協(xié)議極大地提高了PC機(jī)并行口數(shù)據(jù)傳輸能力.

與RS-232串口相比，EPP傳輸速度較快，并極大地簡化了電路.比如，CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過程中，通過一個PC機(jī)到CAN器件SJA1000將CAN總線上信息送至PC機(jī)同時(shí)在屏幕上正常顯示出來.

3 基于CAN總線的嵌入式輕型網(wǎng)關(guān)協(xié)議格式

基于CAN總線的嵌入式輕型網(wǎng)關(guān)協(xié)議格式具體方案如下：

（1）CAN基本應(yīng)用模式里面數(shù)據(jù)幀有8字節(jié)數(shù)據(jù)，在一般的輕型網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀比較短，8個字節(jié)一般能滿足需求，同時(shí)幀出錯概率也極低，所以，在通信協(xié)議中常將8個字節(jié)作為一幀數(shù)據(jù).基本的幀格式為 [源地址][目的地址][數(shù)據(jù)0]—[數(shù)據(jù)5].在這個幀格式中，第一個字節(jié)代表著發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)地址，第二個字節(jié)代表著接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)地址.剩余位則代表發(fā)送的節(jié)點(diǎn)在子網(wǎng)里面的地址.第一個地址可以用來實(shí)現(xiàn)應(yīng)答通信方式，當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)正常收到數(shù)據(jù)之后，要及時(shí)給發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個應(yīng)答幀.第二字節(jié)含義與第一字節(jié)含義類似.這樣一來，在嵌入式輕型網(wǎng)關(guān)中，從CAN網(wǎng)接收到幀之后，要通過幀轉(zhuǎn)換之后向無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀.第三字節(jié)至第八字節(jié)是命令以及數(shù)據(jù)字節(jié)，他們的具體含義則是根據(jù)各個子網(wǎng)定義的.

（2）CAN總線的通信協(xié)議格式有4中不同的幀格式，包括遠(yuǎn)程幀、數(shù)據(jù)幀、超載幀以及錯誤幀.現(xiàn)以數(shù)據(jù)幀格式為例說明，[幀起始][仲裁場][控制場][數(shù)據(jù)場][循環(huán)冗余碼校驗(yàn)場][應(yīng)答場][幀結(jié)束].

（3）無線通信的協(xié)議格式：無線通信因距離不同有不同的協(xié)議格式，現(xiàn)在以近距離的無線通信協(xié)議格式為例，[頭字節(jié)1][頭字節(jié)2][包類型][頭字節(jié)3][頭字節(jié)4][源地址][目的地址][數(shù)據(jù)0]—[數(shù)據(jù)5][CRC校驗(yàn)].

（4）485通信協(xié)議的具體幀格式如下：[頭字節(jié)1][頭字節(jié)2][源地址][目的地址][六字節(jié)數(shù)據(jù)][檢驗(yàn)和].頭字節(jié)1是55H，頭字節(jié)2是AAH.在485網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收485數(shù)據(jù)幀之后，要判斷前面兩個字符，此時(shí)若頭字節(jié)1與頭字節(jié)2相匹配，就可以將數(shù)據(jù)放置485的接收緩沖區(qū)內(nèi)，之后判斷目的地是否和自己相符，若相符且檢驗(yàn)無誤，此時(shí)要根據(jù)源地址發(fā)給源節(jié)點(diǎn)一個應(yīng)答幀.最終在根據(jù)幀數(shù)據(jù)字節(jié)意義進(jìn)行相應(yīng)的操作.

（5）RS-232的通信協(xié)議：和PC機(jī)之間采用異步通信協(xié)議進(jìn)行通信，1個起始位、8個信息位、1個停止位和1個奇偶校驗(yàn)位，但是因?yàn)槠媾夹ｒ?yàn)出錯的概率較高，所以要同時(shí)運(yùn)用檢驗(yàn)和校驗(yàn).

4 結(jié)語

當(dāng)前，數(shù)據(jù)通信在各行各業(yè)中都占據(jù)著重要的地位，為此CAN總線的通信技術(shù)也顯得尤為重要.本文簡單地分析了基于CAN總線的通信技術(shù)應(yīng)用技術(shù)，以期為日后CAN總線在通信技術(shù)中廣泛應(yīng)用提供參考.

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