CAN的工作原理

當一個站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時,該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標識符傳送給本站的CAN芯片,并處于準備狀態(tài);當它收到總線分配時,轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出,這時網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的站對接收到的報文進行檢測,判斷這些報文是否是發(fā)給自己的,以確定是否接收它。

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的控制系統(tǒng)并靈活地進行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進一些新站而無需在硬件或軟件上進行修改。當所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設備時,數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化,即總線上控制器需要測量數(shù)據(jù)時,可由網(wǎng)上獲得,而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。

什么是CAN?

CAN，全稱為“ControllerAreaNetwork”，即控制器局域網(wǎng)，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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡硬件的電氣特性所限制。例如，當使用PhilipsP82C250作為CAN收發(fā)器時，同一網(wǎng)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。

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(wǎng)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(chǎn)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。

由于CAN總線具有很高的實時性能，因此，CAN已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、安全防護等領域中得到了廣泛應用。

CAN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(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1OSI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。

CAN有哪些特性？

CAN具有十分優(yōu)越的特點，使人們樂于選擇。這些特性包括：
低成本
極高的總線利用率
很遠的數(shù)據(jù)傳輸距離(長達10Km)
高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達1Mbit/s）
可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文
可靠的錯誤處理和檢錯機制
發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)
節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能
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

什么是CSMA/CD?

CSMA/CD是“載波偵聽多路訪問/沖突檢測”（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetect）的
縮寫。

利用CSMA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(wǎng)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(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。

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(jīng)濟的。一些組織已經(jīng)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：
制定組織主要高層協(xié)議
CiACAL協(xié)議
CiACANOpen協(xié)議
ODVADeviceNet協(xié)議
HoneywellSDS協(xié)議
KvaserCANKingdom協(xié)議

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。

BOSCHCAN2.0規(guī)范
簡介：

1983年，德國BOSCH開始研究新一代的汽車總線；1986年，第一顆CAN-bus芯片交付應用；1991年，由德國BOSCH公司發(fā)布CAN2.0規(guī)范；1993年，國際標準ISO11898正式出版；1995年，ISO11898進行了擴展，從而能夠支持29位CAN標識符。2000年，市場銷售超過1億個CAN器件。

CAN2.0規(guī)范分為CAN2.0A與CAN2.0B。CAN2.0A支持標準的11位標識符；CAN2.0B同時支持標準的11位標識符和擴展的29位標識符。CAN2.0規(guī)范的目的是為了在任何兩個基于CAN-bus的儀器之間建立兼容性；規(guī)范定義了傳輸層，并定義了CAN協(xié)議在周圍各層當中所發(fā)揮的作用。CAN2.0規(guī)范涉及兼容性的不同方面，比如電氣特性和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的解釋。為了達到設計透明度以及實現(xiàn)柔韌性，CAN被細分為以下不同的層次：
CAN對象層（theobjectlayer）
CAN傳輸層（thetransferlayer）
物理層（thephyicallayer）
對象層和傳輸層包括所有由ISO/OSI模型定義的數(shù)據(jù)鏈路層的服務和功能。定義對象處理較為靈活。對象層的作用范圍包括：
查找被發(fā)送的報文。
確定由實際要使用的傳輸層接收哪一個報文。
為應用層相關硬件提供接口。

傳輸層的作用主要是傳送規(guī)則，也就是控制幀結構、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定、故障界定?？偩€上什么時候開始發(fā)送新報文及什么時候開始接收報文，均在傳輸層里確定。位定時的一些普通功能也可以看作是傳輸層的一部分。理所當然，傳輸層的修改是受到限制的。

物理層的作用是在不同節(jié)點之間根據(jù)所有的電氣屬性進行位信息的實際傳輸。當然，同一網(wǎng)絡內(nèi)，物理層對于所有的節(jié)點必須是相同的。盡管如此，在選擇物理層方面還是很自由的。

作為通用、有效、可靠及經(jīng)濟的平臺，CAN-bus已經(jīng)廣泛地受到了歡迎。它可以使用于汽車系統(tǒng)、機械、技術設備和工業(yè)自動化里幾乎任何類型的數(shù)據(jù)通信。

CAN2.0規(guī)范沒有規(guī)定媒體的連接單元以及其駐留媒體，也沒有規(guī)定應用層。因此，用戶可以直接建立基于CAN2.0規(guī)范的數(shù)據(jù)通信；不過，這種數(shù)據(jù)通信的傳輸內(nèi)容一般不能靈活修改，適合于固定通訊方式。

由于CAN2.0規(guī)范沒有規(guī)定信息標識符的分配，因此可以根據(jù)不同應用使用不同的方法。所以，在設計一個基于CAN的通訊系統(tǒng)時，確定CAN標識符的分配非常重要，標識符的分配和定位也是應用協(xié)議、高層協(xié)議的其中一個主要研究項目。