CAN總線分析

張樹貴

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所，山西太原 030006)

CAN是Controller Area Network的縮寫，即“控制器局域網(wǎng)”，是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對(duì)安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)出來，系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，為了解決這些問題，產(chǎn)生了CAN總線協(xié)議。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

1 CAN總線的基本原理

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總線標(biāo)準(zhǔn)包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，其中鏈路層定義了不同的數(shù)據(jù)類型，總線訪問的仲裁規(guī)則及故障檢測(cè)與故障處理的方式。當(dāng)CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)（站）發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它以報(bào)文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)。

每組報(bào)文開頭的11位字符為表示符（CAN2.0A），定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，這種報(bào)文格式稱為面向內(nèi)容的編制方案。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)要向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識(shí)符傳送給本節(jié)點(diǎn)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，此時(shí)，網(wǎng)上的其它節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)。每個(gè)處于接收狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)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，以確定接收否。

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)并進(jìn)行靈活的配置?？梢院苋菀椎卦贑AN總線中加進(jìn)一些新的節(jié)點(diǎn)而無需再硬件或軟件上進(jìn)行修改。

2 CAN總線的特點(diǎn)

CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其通信接口可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。具有以下特點(diǎn)：

（1）實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等；

（2）數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)（可達(dá)10 kM）；

（3）高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá)1 Mbps）；

（4）采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；

（5）具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-bus上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)；

（6）可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文；

（7）可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制；

（8）發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)；

（9）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；

（10）脫離總線的節(jié)點(diǎn)不影響總線的正常工作；

（11）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；

（12）可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一對(duì)多點(diǎn)（成組）及全局廣播幾種傳送方式接收數(shù)據(jù)。

3 CAN總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CAN總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，CAN hub是用于多分支擴(kuò)展用的，可以省去。CAN總線和分支的末端都需要垮接一個(gè)120歐姆的電阻來終結(jié)，防止信號(hào)反射。

圖1 CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 CAN總線的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

在總線中傳送的報(bào)文，每幀由7部分組成，幀起始（start of frame）、仲裁場(chǎng)（arbitration frame）、控制場(chǎng)（control frame）、數(shù)據(jù)場(chǎng)（date frame）、CRC 場(chǎng)（crc frame）、應(yīng)答場(chǎng)（ack frame）、幀結(jié)尾（end of frame）。CAN協(xié)議支持兩種報(bào)文格式，其中唯一的不同是標(biāo)識(shí)符(ID)長(zhǎng)度不同，標(biāo)準(zhǔn)格式為11位，擴(kuò)展格式為29位。見圖2所示。

圖2 報(bào)文的幀格式

在標(biāo)準(zhǔn)格式中，報(bào)文的起始位稱為幀起始(SOF)，然后是由11位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位(RTR)組成的仲裁場(chǎng)。RTR位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀還是請(qǐng)求幀，在請(qǐng)求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)?？刂茍?chǎng)包括標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位 (IDE)，指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式。它還包括一個(gè)保留位(ro)，為將來擴(kuò)展使用。它的最后4個(gè)字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場(chǎng)中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度(DLC)。數(shù)據(jù)場(chǎng)范圍為0～8個(gè)字節(jié)，其后有一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余檢查 (CRC)。應(yīng)答場(chǎng)(ACK)包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平(邏輯1)，這時(shí)正確接收?qǐng)?bào)文的接收站發(fā)送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)站能正確接收到報(bào)文。報(bào)文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報(bào)文間有一很短的間隔位，如果這時(shí)沒有站進(jìn)行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。

CAN總線上每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)11位的ID信息，各設(shè)備的優(yōu)先級(jí)是根據(jù)其ID來確定的，ID的序號(hào)越小，其優(yōu)先級(jí)越高。下圖為CAN總線上傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀格式，標(biāo)準(zhǔn)幀11位，擴(kuò)展幀29位。見圖3、圖4所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式

5 CAN總線的位仲裁

圖4 擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀格式

要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，就必須將數(shù)據(jù)快速傳送，這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個(gè)站同時(shí)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，要求快速地進(jìn)行總線分配。實(shí)時(shí)處理通過網(wǎng)絡(luò)交換的緊急數(shù)據(jù)有較大的不同。CAN總線采用CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with collision Detect，載波監(jiān)測(cè)多路訪問/沖突檢測(cè))技術(shù)?！拜d波監(jiān)測(cè)”的意思是指在總線上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息報(bào)文前都必須監(jiān)測(cè)到總線上有一段時(shí)間的空閑狀態(tài)。“多路訪問”的意思是一旦此空閑狀態(tài)被監(jiān)測(cè)到，那么每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有均等的機(jī)會(huì)來發(fā)送報(bào)文。“沖突檢測(cè)”是指在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息時(shí)，節(jié)點(diǎn)本身首先會(huì)檢測(cè)到出現(xiàn)沖突，然后采取相應(yīng)的措施來解決這一沖突情況。此時(shí)優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文先發(fā)送，低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文發(fā)送會(huì)暫停。這就是CAN總線的仲裁，仲裁過程是不會(huì)對(duì)報(bào)文產(chǎn)生破壞的。CAN總線的仲裁過程如圖5所示。

6 CAN總線的錯(cuò)誤處理

CAN控制器內(nèi)置出錯(cuò)計(jì)數(shù)器，根據(jù)出錯(cuò)是全局的還是本地的，計(jì)數(shù)器以此決定加1還是加8。通過查詢出錯(cuò)計(jì)數(shù)器值，就可以知道通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。不同于其它總線，CAN協(xié)議不能使用應(yīng)答信息。它卻可以將發(fā)生的任何錯(cuò)誤用信號(hào)發(fā)出。CAN總線有5種錯(cuò)誤類型：位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、CRC錯(cuò)誤、形式錯(cuò)誤、應(yīng)答錯(cuò)誤。

圖5 CAN總線仲裁過程

7 CAN總線數(shù)據(jù)表示

CAN總線用隱性和顯性表示0和1。當(dāng)在總線上出現(xiàn)同時(shí)發(fā)送顯性位和隱性位時(shí)，總線上數(shù)值將出現(xiàn)顯性。總線上的信號(hào)使用差分電壓傳送，兩條信號(hào)線被稱為VCAN_H和VCAN_L。如圖6所示。

圖6 CAN總線的邏輯電平

8 結(jié)束語

CAN總線的數(shù)據(jù)通信有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。由于具有良好的性能和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線越來越受到人們的重視。由最早的應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，現(xiàn)在已應(yīng)用于各種領(lǐng)域。它已經(jīng)成為一種重要的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

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