CAN總線協(xié)議及概念

1,CAN總線協(xié)議基本概念:

(1),報(bào)文:總線上的信息以不同格式的報(bào)文發(fā)送,但長(zhǎng)度有限。當(dāng)總線開放時(shí),任何連接的單元均可開始發(fā)送一個(gè)新報(bào)文。

(2),信息路由:在CAN系統(tǒng)中,一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)不使用有關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的任何信息,這里包含一些重要的概念:系統(tǒng)靈活性——節(jié)點(diǎn)可以在不要求所有節(jié)點(diǎn)及其應(yīng)用層改變?nèi)魏诬浖蛴布那闆r下,被接于CAN網(wǎng)絡(luò)。報(bào)文通信——一個(gè)報(bào)文的內(nèi)容由其標(biāo)示符ID命名,ID并不指出報(bào)文的目的,但描述數(shù)據(jù)的含義,以便網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)有可能借助報(bào)文濾波決定該數(shù)據(jù)是否使它們激活。成組——由于采用了報(bào)文濾波,所有節(jié)點(diǎn)均可接受報(bào)文,并同時(shí)被相同的報(bào)文激活。數(shù)據(jù)相容性——在CAN網(wǎng)絡(luò)中,可以確保報(bào)文同時(shí)被所有的節(jié)點(diǎn)或者沒有節(jié)點(diǎn)接受,因此,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相容性是借助于成組和出錯(cuò)處理達(dá)到的。

(3),位速率:CAN的數(shù)據(jù)傳輸率在不同的系統(tǒng)中是不同的,而在一個(gè)系統(tǒng)中是固定的速率。

(4),優(yōu)先權(quán):在總線訪問期間,標(biāo)示符定義了一個(gè)報(bào)文靜態(tài)的優(yōu)先權(quán)。

(5),遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求:通過發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀,需要數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可以請(qǐng)求另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀,該數(shù)據(jù)幀與對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)程幀以相同的標(biāo)示符ID命名。

(6),多主站:當(dāng)總線開放時(shí),任何單元均可以開始發(fā)送報(bào)文,發(fā)送具有最高優(yōu)先權(quán)報(bào)文的單元會(huì)贏得總線的訪問權(quán)。

(7),仲裁:當(dāng)總線開放時(shí),任何單元均可以開始發(fā)送報(bào)文,若同時(shí)有兩個(gè)或者更多的單元開始發(fā)送,總線訪問沖突運(yùn)用逐位仲裁規(guī)則,借助標(biāo)示符ID解決,這種仲裁規(guī)則可以使信息和時(shí)間均無(wú)損失,若具有相同標(biāo)示符的一個(gè)數(shù)據(jù)幀和一個(gè)遠(yuǎn)程幀同時(shí)發(fā)送,數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀,仲裁期間,每個(gè)發(fā)送器都對(duì)發(fā)送位電平與總線上檢測(cè)到的電平進(jìn)行比較,若相同則該單元可以繼續(xù)發(fā)送,當(dāng)發(fā)送一個(gè)隱性電平,而在總線上檢測(cè)為顯性電平時(shí),該單元退出仲裁,并不再傳送后繼位了。

(8),安全性:CAN總線協(xié)議為了獲得盡可能高的數(shù)據(jù)傳輸安全性,在每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)中均設(shè)有錯(cuò)誤檢測(cè),標(biāo)定和自檢的強(qiáng)有力措施。檢測(cè)措施包括:發(fā)送自檢,循環(huán)冗余校驗(yàn),位填充,和報(bào)文格式檢查。

(9),出錯(cuò)標(biāo)注和恢復(fù)時(shí)間:已損壞的報(bào)文由檢驗(yàn)出錯(cuò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注。這樣的報(bào)文將失效,并自動(dòng)進(jìn)行重發(fā)送。如果不存在新的錯(cuò)誤,從檢出錯(cuò)誤到下一個(gè)報(bào)文開始發(fā)送的恢復(fù)實(shí)踐最多為29個(gè)位時(shí)間。

(10),故障界定:CAN節(jié)點(diǎn)又能力識(shí)別永久性的故障和暫時(shí)擾動(dòng),可自動(dòng)關(guān)閉故障節(jié)點(diǎn)。

(11),連接:CAN串行通信鏈路是一條眾多單元均可被連接的總線,理論上單元數(shù)目是無(wú)限的,實(shí)際上,單元總數(shù)受限于延遲時(shí)間和總線的電器負(fù)載。

(12),應(yīng)答:所有接收器均對(duì)接收?qǐng)?bào)文的相容性進(jìn)行檢查,回答一個(gè)相容的報(bào)文,并標(biāo)注一個(gè)不相容的報(bào)文。

2,CAN的特點(diǎn):屬于串行通信網(wǎng)絡(luò)

(1),通信方式靈活。多主從方式工作,網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)均可以在任何時(shí)刻主動(dòng)的向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,不分主從。無(wú)需站地址等節(jié)點(diǎn)信息?？梢詷?gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)。

(2),CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí),可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。

(3),CAN采取非破壞性的總線仲裁技術(shù),多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息時(shí),優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送。

(4),CAN只需通過報(bào)文濾波就可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn),1點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收,無(wú)需調(diào)度。

(5),CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10KM(5Kb/s),通信速率最高可達(dá)1Mb/s(40M)。

(6),CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)目前可達(dá)110個(gè);報(bào)文標(biāo)示符可達(dá)2032種(CAN2.0A ),而CAN2.0B報(bào)文標(biāo)示符幾乎不受限制。

(7),CAN通信采用短幀格式,傳輸時(shí)間短,抗干擾強(qiáng),極好的驗(yàn)錯(cuò)效果,每幀最多8B足以滿足控制要求,不會(huì)占用過長(zhǎng)總線時(shí)間,實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

(8),CAN每幀都有CRC校驗(yàn)及其他驗(yàn)錯(cuò)措施。

(9),接口中集成了CAN總線協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。

(10),CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線或同軸電纜,光纖。

(11),CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能。

3,CAN總線協(xié)議基本規(guī)則:

(1),總線訪問:采用載波監(jiān)聽多路訪問,CAN控制器之恩能夠在總線空閑時(shí),就是節(jié)點(diǎn)偵聽到網(wǎng)絡(luò)上至少存在3個(gè)空閑位(隱性位)時(shí)開始發(fā)送,采用硬同步,所有的控制器同步都為與幀的起始的前沿。過了一定時(shí)間,并在一定條件后,重同步。

(2),仲裁:各節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)電平時(shí),也對(duì)總線上電平進(jìn)行讀取,并于自身發(fā)送的電平進(jìn)行比較,相同則發(fā)下一位,直至全部發(fā)完。不同則說明網(wǎng)絡(luò)上有更高優(yōu)先級(jí)的信息幀正在發(fā)送,即停止發(fā)送,退出競(jìng)爭(zhēng)。

(3),編碼/解碼:幀起始域,仲裁域,控制域,數(shù)據(jù)域和CRC序列均使用位填充技術(shù)進(jìn)行編碼,就是5個(gè)連續(xù)的同狀態(tài)電平插入一位與它相補(bǔ)的電平,還原時(shí)每5個(gè)同狀態(tài)的電平后的相補(bǔ)電平被刪除。

(4),出錯(cuò)標(biāo)注:當(dāng)檢測(cè)到位錯(cuò)誤,填充錯(cuò)誤,形式錯(cuò)誤或應(yīng)答錯(cuò)誤時(shí),檢測(cè)出錯(cuò)條件的CAN控制器將發(fā)送一個(gè)出錯(cuò)標(biāo)志。

(5),超載標(biāo)注,一些控制器會(huì)發(fā)送一個(gè)或多個(gè)超載幀以延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的發(fā)送。

相關(guān)組織

　　依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織／開放系統(tǒng)互連(International Standardi-zation Organization／Open SystemInterconnection，ISO／OSI)參考模型，CAN的ISO／OSI參考模型的層結(jié)構(gòu)如圖7-6所示。

概念和特征

　　下面對(duì)CAN協(xié)議的媒體訪問控制子層的一些概念和特征做如下說明：

　　(1)報(bào)文(Message)總線上的報(bào)文以不同報(bào)文格式發(fā)送，但長(zhǎng)度受到限制。當(dāng)總線空閑時(shí)，任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送報(bào)文。

　　(2)信息路由(Information Routing)在CAN中，節(jié)點(diǎn)不使用任何關(guān)于系統(tǒng)配置的報(bào)文，比如站地址，由接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)文本身特征判斷是否接收這幀信息。因此系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，不用對(duì)應(yīng)用層以及任何節(jié)點(diǎn)的軟件和硬件作改變，可以直接在CAN中增加節(jié)點(diǎn)。

　　(3)標(biāo)識(shí)符(Identifier)要傳送的報(bào)文有特征標(biāo)識(shí)符(是數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的一個(gè)域)，它給出的不是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址，而是這個(gè)報(bào)文本身的特征。信息以廣播方式在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送，所有節(jié)點(diǎn)都可以接收到。節(jié)點(diǎn)通過標(biāo)識(shí)符判定是否接收這幀信息。

　　(4)數(shù)據(jù)一致性應(yīng)確保報(bào)文在CAN里同時(shí)被所有節(jié)點(diǎn)接收或同時(shí)不接收，這是配合錯(cuò)誤處理和再同步功能實(shí)現(xiàn)的。

　　(5)位傳輸速率不同的CAN系統(tǒng)速度不同，但在一個(gè)給定的系統(tǒng)里，位傳輸速率是唯一的，并且是固定的。

　　(6)優(yōu)先權(quán) 由發(fā)送數(shù)據(jù)的報(bào)文中的標(biāo)識(shí)符決定報(bào)文占用總線的優(yōu)先權(quán)。標(biāo)識(shí)符越小，優(yōu)先權(quán)越高。

　　(7)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求(Remote Data Request)通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求另一節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)?；貞?yīng)節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)幀與請(qǐng)求數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程幀由相同的標(biāo)識(shí)符命名。

　　(8)仲裁(Arbitration)只要總線空閑，任何節(jié)點(diǎn)都可以向總線發(fā)送報(bào)文。如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報(bào)文，就會(huì)引起總線訪問碰撞。通過使用標(biāo)識(shí)符的逐位仲裁可以解決這個(gè)碰撞。仲裁的機(jī)制確保了報(bào)文和時(shí)間均不損失。當(dāng)具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時(shí)發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀。在仲裁期間，每一個(gè)發(fā)送器都對(duì)發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的總線電平進(jìn)行比較。如果電平相同，則這個(gè)單元可以繼續(xù)發(fā)送，如果發(fā)送的是“隱性”電平而監(jiān)視到的是“顯性”電平，那么這個(gè)單元就失去了仲裁，必須退出發(fā)送狀態(tài)。

　　(9)總線狀態(tài) 總線有“顯性”和“隱性”兩個(gè)狀態(tài)，“顯性”對(duì)應(yīng)邏輯“0”，“隱性”對(duì)應(yīng)邏輯“1”。“顯性”狀態(tài)和“隱性”狀態(tài)與為“顯性”狀態(tài)，所以兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)分別發(fā)送“0”和“1”時(shí)，總線上呈現(xiàn)“0”。CAN總線采用二進(jìn)制不歸零(NRZ)編碼方式，所以總線上不是“0”，就是“1”。但是CAN協(xié)議并沒有具體定義這兩種狀態(tài)的具體實(shí)現(xiàn)方式，如圖7-7所示。 (10)故障界定(Confinement) CAN節(jié)點(diǎn)能區(qū)分瞬時(shí)擾動(dòng)引起的故障和永久性故障。故障節(jié)點(diǎn)會(huì)被關(guān)閉。

　　(11)應(yīng)答接收節(jié)點(diǎn)對(duì)正確接收的報(bào)文給出應(yīng)答，對(duì)不一致報(bào)文進(jìn)行標(biāo)記。

　(12)CAN通訊距離最大是10公里（設(shè)速率為5Kbps）,或最大通信速率為1Mbps(設(shè)通信距離為40米)。

　　(13)CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。通信介質(zhì)可在雙絞線，同軸電纜，光纖中選擇。

　　(14)報(bào)文是短幀結(jié)構(gòu)，短的傳送時(shí)間使其受干擾概率低，CAN有很好的效驗(yàn)機(jī)制，這些都保證了CAN通信的可靠性。

2 CAN總線協(xié)議內(nèi)容

　　CAN總線的物理層是將ECU連接至總線的驅(qū)動(dòng)電路。ECU的總數(shù)將受限于總線上的電氣負(fù)荷。物理層定義了物理數(shù)據(jù)在總線上各節(jié)點(diǎn)間的傳輸過程，主要是連接介質(zhì)、線路電氣特性、數(shù)據(jù)的編碼／解碼、位定時(shí)和同步的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。

總線競(jìng)爭(zhēng)的原則

　　BOSCH CAN基本上沒有對(duì)物理層進(jìn)行定義，但基于CAN的ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理層進(jìn)行了定義。設(shè)計(jì)一個(gè)CAN系統(tǒng)時(shí)，物理層具有很大的選擇余地，但必須保證CAN協(xié)議中媒體訪問層非破壞性位仲裁的要求，即出現(xiàn)總線競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，具有較高優(yōu)先權(quán)的報(bào)文獲取總線競(jìng)爭(zhēng)的原則，所以要求物理層必須支持CAN總線中隱性位和顯性位的狀態(tài)特征。在沒有發(fā)送顯性位時(shí)，總線處于隱性狀態(tài)，空閑時(shí)，總線處于隱性狀態(tài)；當(dāng)有一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送顯性位，顯性位覆蓋隱性位，使總線處于顯性狀態(tài)。

　　在此基礎(chǔ)上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。從物理結(jié)構(gòu)上看，CAN節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成如圖7-8所示。在CAN中，物理層從結(jié)構(gòu)上可分為三層：分別是物理層信令(Physical Layer Signaling，PLS)、物理介質(zhì)附件(Physical MediaAttachment，PMA)層和介質(zhì)從屬接口(Media Dependent：Inter-face，MDI)層。其中PLS連同數(shù)據(jù)鏈路層功能由CAN控制器完成，PMA層功能由CAN收發(fā)器完成，MDI層定義了電纜和連接器的特性。目前也有支持CAN的微處理器內(nèi)部集成了CAN控制器和收發(fā)器電路，如MC68HC908GZl6。PMA和MDI兩層有很多不同的國(guó)際或國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也可自行定義，比較流行的是ISOll898定義的高速CAN發(fā)送／接收器標(biāo)準(zhǔn)。

節(jié)點(diǎn)數(shù)量

　　理論上，CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)幾乎不受限制，可達(dá)到2000個(gè)，實(shí)際上受電氣特性的限制，最多只能接100多個(gè)節(jié)點(diǎn)。

CAN的數(shù)據(jù)鏈路層

　　CAN的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)容，其中邏輯鏈路控制(Logical Link control，LLC)完成過濾、過載通知和管理恢復(fù)等功能，媒體訪問控制(Medium Aeeess control，MAC)子層完成數(shù)據(jù)打包／解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤信令、應(yīng)答、串并轉(zhuǎn)換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的。

3 CAN總線的報(bào)文傳輸和結(jié)構(gòu)

報(bào)文類型

　　在CAN2．0B的版本協(xié)議中有兩種不同的幀格式，不同之處為標(biāo)識(shí)符域的長(zhǎng)度不同，含有l(wèi)l位標(biāo)識(shí)符的幀稱之為標(biāo)準(zhǔn)幀，而含有29位標(biāo)識(shí)符的幀稱為擴(kuò)展幀。如CAN1．2版本協(xié)議所描述，兩個(gè)版本的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式和遠(yuǎn)程幀格式分別是等效的，而擴(kuò)展格式是CAN2．0B協(xié)議新增加的特性。為使控制器設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，并不要求執(zhí)行完全的擴(kuò)展格式，對(duì)于新型控制器而言，必須不加任何限制的支持標(biāo)準(zhǔn)格式。但無(wú)論是哪種幀格式，在報(bào)文

幀類型

　　傳輸時(shí)都有以下四種不同類型的幀：

　　(1)數(shù)據(jù)幀(Data )數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌鳌?/div>