CAN總線協(xié)議
CAN總線發(fā)展
控制器局域網(wǎng)CAN( Controller Area Network)屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。是由德國博世公司在20世紀(jì)80年代專門為汽車行業(yè)開發(fā)的一種串行通信總線。由于其高性能、高可靠性以及獨特的設(shè)計而越來越受到人們的重視，被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達(dá)到10km時，CAN仍可提供高達(dá)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和應(yīng)用范圍，從位速率最高可達(dá)1Mbps的高速網(wǎng)絡(luò)到低成本多線路的50Kbps網(wǎng)絡(luò)都可以任意搭配。因此，CAN己經(jīng)在汽車業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。 隨著CAN總線在各個行業(yè)和領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對其的通信格式標(biāo)準(zhǔn)化也提出了更嚴(yán)格的要求。1991年CAN總線技術(shù)規(guī)范（Version2.0）制定并發(fā)布。該技術(shù)規(guī)范共包括A和B兩個部分。其中2.0A給出了CAN報文標(biāo)準(zhǔn)格式，而2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴展的兩種格式。美國的汽車工程學(xué)會SAE在2000年提出了J1939協(xié)議，此后該協(xié)議成為了貨車和客車中控制器局域網(wǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)。
相關(guān)組織
依據(jù)國際標(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)報文(Message)總線上的數(shù)據(jù)以不同報文格式發(fā)送，但長度受到限制。當(dāng)總線空閑時，任何一個網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點都可以發(fā)送報文。 (2)信息路由(Information Routing)在CAN中，節(jié)點不使用任何關(guān)于系統(tǒng)配置的報文，比如站地址，由接收節(jié)點根據(jù)報文本身特征判斷是否接收這幀信息。因此系統(tǒng)擴展時，不用對應(yīng)用層以及任何節(jié)點的軟件和硬件作改變，可以直接在CAN中增加節(jié)點。 (3)標(biāo)識符(Identifier) 要傳送的報文有特征標(biāo)識符(是數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的一個域)，它給出的不是目標(biāo)節(jié)點地址，而是這個報文本身的特征。信息以廣播方式在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送，所有節(jié)點都可以接收到。節(jié)點通過標(biāo)識符判定是否接收這幀信息。 (4)數(shù)據(jù)一致性應(yīng)確保報文在CAN里同時被所有節(jié)點接收或同時不接收，這是配合錯誤處理和再同步功能實現(xiàn)的。 (5)位傳輸速率不同的CAN系統(tǒng)速度不同，但在一個給定的系統(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)的報文中的標(biāo)識符決定報文占用總線的優(yōu)先權(quán)。標(biāo)識符越小，優(yōu)先權(quán)越高。 (7)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求(Remote Data Request) 通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點請求另一節(jié)點發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)?；貞?yīng)節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)幀與請求數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程幀由相同的標(biāo)識符命名。 (8)仲裁(Arbitration) 只要總線空閑，任何節(jié)點都可以向總線發(fā)送報文。如果有兩個或兩個以上的節(jié)點同時發(fā)送報文，就會引起總線訪問碰撞。通過使用標(biāo)識符的逐位仲裁可以解決這個碰撞。仲裁的機制確保了報文和時間均不損失。當(dāng)具有相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時發(fā)送時，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀。在仲裁期間，每一個發(fā)送器都對發(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”兩個狀態(tài)，“顯性”對應(yīng)邏輯“0”，“隱性”對應(yīng)邏輯“1”?！帮@性”狀態(tài)和“隱性”狀態(tài)與為“顯性”狀態(tài)，所以兩個節(jié)點同時分別發(fā)送“0”和“1”時，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)的具體實現(xiàn)方式，如圖7-7所示。 ?。?0)故障界定(Confinement) CAN節(jié)點能區(qū)分瞬時擾動引起的故障和永久性故障。故障節(jié)點會被關(guān)閉。 (11)應(yīng)答接收節(jié)點對正確接收的報文給出應(yīng)答，對不一致報文進(jìn)行標(biāo)記。 ?。?2）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)。 ?。?3）CAN總線上的節(jié)點數(shù)可達(dá)110個。通信介質(zhì)可在雙絞線，同軸電纜，光纖中選擇。 ?。?4）報文是短幀結(jié)構(gòu)，短的傳送時間使其受干擾概率低，CAN有很好的效驗機制，這些都保證了CAN通信的可靠性。
編輯本段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、位定時和同步的實施標(biāo)準(zhǔn)。
總線競爭的原則
BOSCH CAN基本上沒有對物理層進(jìn)行定義，但基于CAN的ISO標(biāo)準(zhǔn)對物理層進(jìn)行了定義。設(shè)計一個CAN系統(tǒng)時，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)總線競爭時，具有較高優(yōu)先權(quán)的報文獲取總線競爭的原則，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，總線處于隱性狀態(tài)，空閑時，總線處于隱性狀態(tài)；當(dāng)有一個或多個節(jié)點發(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：分別是物理信號層(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際或國家或行業(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)點數(shù)量
理論上，CAN總線上的節(jié)點數(shù)幾乎不受限制，可達(dá)到2000個，實際上受電氣特性的限制，最多只能接100多個節(jié)點。
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 Access control，MAC)子層完成數(shù)據(jù)打包/解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、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。
編輯本段3 CAN總線的報文傳輸和結(jié)構(gòu)
報文類型
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)識符域的長度不同，含有l(wèi)l位標(biāo)識符的幀稱之為標(biāo)準(zhǔn)幀，而含有29位標(biāo)識符的幀稱為擴展幀。如CAN1．2版本協(xié)議所描述，兩個版本的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式和遠(yuǎn)程幀格式分別是等效的，而擴展格式是CAN2．0B協(xié)議新增加的特性。為使控制器設(shè)計相對簡單，并不要求執(zhí)行完全的擴展格式，對于新型控制器而言，必須不加任何限制的支持標(biāo)準(zhǔn)格式。但無論是哪種幀格式，在報文傳輸時都有以下四種不同類型的幀：
幀類型
(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? (2)遠(yuǎn)程幀(Remote ) 總線單元發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請求發(fā)送具有同一標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀。 (3)錯誤幀(Error ) 任何單元檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。 (4)過載幀(Overload ) 過載幀用在相鄰數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間提供附加的延時。 數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀與前一個幀之間都會有一個隔離域，即幀間間隔。數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀可以使用標(biāo)準(zhǔn)幀及擴展幀兩種格式。
編輯本段4 CAN總線應(yīng)用領(lǐng)域
CAN總線最初是德國BOSCH為汽車行業(yè)的監(jiān)測，控制而設(shè)計的?，F(xiàn)已應(yīng)用到鐵路、交通、國防、工程、工業(yè)機械、紡織、農(nóng)用機械、數(shù)控、醫(yī)療器械機器人、樓宇、安防等方面。文章來源于:百度百科
