CAN總線百科

CAN實現(xiàn)總線分配的方法，可保證當不同的站申請總線存取時，明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發(fā)送數(shù)據(jù)時產生的碰撞問題。不同于Ethernet網(wǎng)絡的消息仲裁，CAN的非破壞性解決總線存取沖突的方法，確保在不傳送有用消息時總線不被占用。甚至當總線在重負載情況下，以消息內容為優(yōu)先的總線存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。雖然總線的傳輸能力不足，所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在CSMA/CD這樣的網(wǎng)絡中，如Ethernet，系統(tǒng)往往由于過載而崩潰，而這種情況在CAN中不會發(fā)生。

CAN的報文格式

在總線中傳送的報文，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報文格式，其唯一的不同是標識符（ID）長度不同，標準格式為11位，擴展格式為29位。

在標準格式中，報文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標識符和遠程發(fā)送請求位 (RTR）組成的仲裁場。RTR位標明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀，在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。

控制場包括標識符擴展位（IDE），指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro），為將來擴展使用。它的最后四個字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度（DLC）。數(shù)據(jù)場范圍為0～8個字節(jié),其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC）。

應答場（ACK）包括應答位和應答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平（邏輯1），這時正確接收報文的接收站發(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)絡中至少有一個站能正確接收到報文。

報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位，如果這時沒有站進行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。

CAN數(shù)據(jù)幀的組成

遠程幀

遠程幀由6個場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應答場和幀結束。遠程幀不存在數(shù)據(jù)場。

遠程幀的RTR位必須是隱位。

DLC的數(shù)據(jù)值是獨立的，它可以是0～8中的任何數(shù)值，為對應數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度。

錯誤幀

錯誤幀由兩個不同場組成，第一個場由來自各站的錯誤標志疊加得到，第二個場是錯誤界定符

錯誤標志具有兩種形式：

活動錯誤標志（Active error flag），由6個連續(xù)的顯位組成

認可錯誤標志（Passive error flag），由6個連續(xù)的隱位組成

錯誤界定符包括8個隱位

超載幀

超載幀包括兩個位場：超載標志和超載界定符

發(fā)送超載幀的超載條件：

要求延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀

在間歇場檢測到顯位

超載標志由6個顯位組成

超載界定符由8個隱位組成

數(shù)據(jù)錯誤檢測

不同于其它總線，CAN協(xié)議不能使用應答信息。事實上，它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯誤的方法，其中前三種為基于報文內容檢查。

3.4.1循環(huán)冗余檢查（CRC)

在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。

3.4.2 幀檢查

這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性，用于檢查格式上的錯誤。

3.4.3.應答錯誤

如前所述，被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發(fā)送站未收到應答，那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯誤，也就是說，ACK場已損壞或網(wǎng)絡中的報文無站接收。CAN協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯誤。

3.4.4 總線檢測

有時，CAN中的一個節(jié)點可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。因此，發(fā)送報文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。

3.4.5 位填充

一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示，可保證位編碼的最大效率。然而，如果在一幀報文中有太多相同電平的位，就有可能失去同步。為保證同步，同步沿用位填充產生。在五個連續(xù)相等位后，發(fā)送站自動插入一個與之互補的補碼位；接收時，這個填充位被自動丟掉。例如，五個連續(xù)的低電平位后，CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯誤，如果在一幀報文中有6個相同位，CAN就知道發(fā)生了錯誤。

如果至少有一個站通過以上方法探測到 一個或多個錯誤，它將發(fā)送出錯標志終止當前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文，并保證網(wǎng)絡上報文的一致性。當大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后，發(fā)送站會自動地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。作為規(guī)則，在探測到錯誤后23個位周期內重新開始發(fā)送。在特殊場合，系統(tǒng)的恢復時間為31個位周期。

但這種方法存在一個問題，即一個發(fā)生錯誤的站將導致所有數(shù)據(jù)被終止，其中也包括正確的數(shù)據(jù)。因此,如果不采取自監(jiān)測措施，總線系統(tǒng)應采用模塊化設計。為此，CAN協(xié)議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區(qū)別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統(tǒng)計評估來確定一個站本身的錯誤并進入一種不會對其它站產生不良影響的運行方法來實現(xiàn)，即站可以通過關閉自己來阻止正常數(shù)據(jù)因被錯誤地當成不正確的數(shù)據(jù)而被終止。

硬同步和重同步

硬同步只有在總線空閑狀態(tài)條件下隱形位到顯性位的跳變沿發(fā)生時才進行，表明報文傳輸開始。在硬同步之后，位時間計數(shù)器隨同步段重新開始計數(shù)。硬同步強行將已發(fā)生的跳變沿置于重新開始的位時間同步段內。根據(jù)同步規(guī)則，如果某一位時間內已有一個硬同步出現(xiàn)，該位時間內將不會發(fā)生再同步。再同步可能導致相位緩沖段1被延長或相位緩沖段2被短。這兩個相位緩沖段的延長時間或縮短時間上限由再同步跳轉寬度（SJW）給定。

CAN總線可靠性

為防止汽車在使用壽命期內由于數(shù)據(jù)交換錯誤而對司機造成危險，汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃宰銐蚋撸蛘邭埩粝聛淼臄?shù)據(jù)錯誤足夠低的話，這一目標不難實現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看，可靠性可以理解為，對傳輸過程產生的數(shù)據(jù)錯誤的識別能力。

殘余數(shù)據(jù)錯誤的概率可以通過對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計測量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯誤概率必須非常小，使其在系統(tǒng)整個壽命周期內，按平均統(tǒng)計時幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠對數(shù)據(jù)錯誤進行分類，并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘余錯誤概率，我們可將殘留錯誤的概率作為具有80～90位的報文傳送時位錯誤概率的函數(shù)，并假定這個系統(tǒng)中有5～10個站，并且錯誤率為1/1000，那么最大位錯誤概率為10—13數(shù)量級。例如，CAN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸率最大為1Mbps，如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用50%，那么對于一個工作壽命4000小時、平均報文長度為 80位的系統(tǒng)，所傳送的數(shù)據(jù)總量為9×1010。在系統(tǒng)運行壽命期內，不可檢測的傳輸錯誤的統(tǒng)計平均小于10—2量級。換句話說，一個系統(tǒng)按每年365天，每天工作8小時，每秒錯誤率為0. 7計算，那么按統(tǒng)計平均，每1000年才會發(fā)生一個不可檢測的錯誤。

CAN總線應用舉例

CAN總線在工控領域主要使用低速-容錯CAN即ISO11898-3標準，在汽車領域常使用500Kbps的高速CAN。

某進口車型擁有，車身、舒適、多媒體等多個控制網(wǎng)絡，其中車身控制使用CAN網(wǎng)絡，舒適使用LIN網(wǎng)絡，多媒體使用MOST網(wǎng)絡，以CAN網(wǎng)為主網(wǎng)，控制發(fā)動機、變速箱、ABS等車身安全模塊，并將轉速、車速、油溫等共享至全車，實現(xiàn)汽車智能化控制，如高速時自動鎖閉車門，安全氣囊彈出時，自動開啟車門等功能。

CAN系統(tǒng)又分為高速和低速，高速CAN系統(tǒng)采用硬線是動力型，速度：500kbps，控制ECU、ABS等；低速CAN是舒適型，速度：125Kbps，主要控制儀表、防盜等。

某醫(yī)院現(xiàn)有5臺16T/H德國菲斯曼燃氣鍋爐，向洗衣房、制劑室、供應室、生活用水、暖氣等設施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然氣1200萬m3，耗用20萬噸自來水。醫(yī)院采用接力式方式供熱，對熱網(wǎng)進行地域性管理，分四大供熱區(qū)。其中冬季暖氣的用氣量很大，據(jù)此設計了基于CAN現(xiàn)場總線的分布式鍋爐蒸汽熱網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場應用表明：該樓宇自動化系統(tǒng)具有抗干擾能力強，現(xiàn)場組態(tài)容易，網(wǎng)絡化程度高，人機界面友好等特點。

CAN總線優(yōu)點

廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼，可以多主方式工作；

采用非破壞性仲裁技術，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；

采用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短；

每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境下使用；

節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響；

可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。

具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點；

采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；

具有優(yōu)先權和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-Bus上，形成多主機局部網(wǎng)絡；

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。

CAN總線測試工具

CAN總線多用于工控和汽車領域，在CAN總線的開發(fā)測試階段，需要對其拓撲結構，節(jié)點功能，網(wǎng)路整合等進行開發(fā)測試，需要虛擬、半虛擬、全實物仿真測試平臺，并且必須測試各節(jié)點是否符合ISO11898中規(guī)定的錯誤響應機制等，所以CAN總線的開發(fā)需要專業(yè)的開發(fā)測試工具，并且在生產階段也需要一批簡單易用的生產線測試工具。CAN總線開發(fā)測試工具的主要供應商有ZLG、Passion IXXAT、IHR、Vector、Intrepidcs、Passion Warwick等。常用的開發(fā)測試工具如CANScope、CANalyst-II、Passiontech DiagRA、canAnalyser、X-Analyser、AutoCAN、CANspider等。

Can總線技術在汽車行業(yè)的運用

汽車為什么選擇了CAN總路線技術？

從成本上來說，CAN比UART、RS-232/485高，但比以太網(wǎng)低；從實時性來說：CAN的實時性比UART和以太網(wǎng)高，為了保證安全，車用通信協(xié)議都是按周期性主動發(fā)送，不論是CAN還是LIN，對實時性要求高的消息其發(fā)送周期都小于10ms（每輛車都有好幾條這樣的消息），發(fā)動機、ABS和變速器都有幾條這樣的消息；從可靠性來說，CAN有一系列事故安全措施，這是UART和以太網(wǎng)都不具備的，多點冗余也是UART（點對點傳輸）和工業(yè)以太網(wǎng)（數(shù)據(jù)傳輸距離短）難于實現(xiàn)的，所以CAN出現(xiàn)后，由于價格的原因，最初應用得最多的地方并不是汽車，而是對成本不敏感的工業(yè)控制和醫(yī)療設備。

其次總線是一個系統(tǒng)，總線上的速度僅僅是系統(tǒng)中的一個因素，ElexRay雖然只有20MBPS但它在一個16BIT的MCU上都能跑起來，100MHZ以太網(wǎng)雖快，但一個32BIT的MCU很難達到10MBPS。況且還要涉及到系統(tǒng)的安全性，類似冗余，BUS安全等。所以綜合考慮，汽車選擇了CAN總線技術。

汽車CAN總路線技術

通過遍布車身的傳感器，汽車的各種行駛數(shù)據(jù)會被發(fā)送到“總線”上，這些數(shù)據(jù)不會指定唯一的接收者，凡是需要這些數(shù)據(jù)的接收端都可以從“總線”上讀取需要的信息。Can總線的傳輸數(shù)據(jù)非常快，可以達到每秒傳輸32bytes有效數(shù)據(jù)，這樣可以有效保證數(shù)據(jù)的實效性和準確性。傳統(tǒng)的轎車在機艙和車身內需要埋設大量線束以傳遞傳感器采集的信號，而Can-Bus總線技術的應用可以大量減少車體內線束的數(shù)量，線束的減少則降低了故障發(fā)生的可能性。

CAN-Bus介紹

控制器局部網(wǎng)（Controller Area Network）是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應用領先推出的一種多主機局部網(wǎng)，由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)自動化、多種控制設備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門?？刂破骶植烤W(wǎng)將在中國迅速普及推廣。

控制器區(qū)域網(wǎng)（Controller Area Network)CAN現(xiàn)場總線已經(jīng)成為在儀表裝置通訊的新標準。它提供高速數(shù)據(jù)傳送，在短距離（40m)條件下具有高速（1Mbit/s）數(shù)據(jù)傳輸能力，而在最大距離10000m時具有低速（5kbits/s）傳輸能力，極適合在高速的工業(yè)自控應用上。CAN總線可在同一網(wǎng)絡上連接多種不同功用的傳感器（如位置，溫度或壓力等）。