CAN總線知多少？

　　基本概念

　　CAN 是Controller Area Network 的縮寫(以下稱為CAN)，是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議，形成并通過ISO11898 及ISO11519標準認證。在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標準協(xié)議。

　　CAN 的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術(shù)支持。

　　優(yōu)勢

• 　　CAN屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。較之許多RS-485基于R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：
• 　　網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信速率高、實時性強
• 　　縮短了開發(fā)周期
• 　　已形成國際標準的現(xiàn)場總線

　　特點

　　CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率最高可達1Mbps。

　　1、完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理

　　CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(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、優(yōu)先級判別等項工作。

　　2、使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制

　　CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識符可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義2或2個以上不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設(shè)計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。

　　3、可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信

　　CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標準化組織認證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC AT XT兼容機上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

　　4、結(jié)構(gòu)簡單

　　只有2根線與外部相連，并且內(nèi)部集成了錯誤探測和管理模塊。

　　5、傳輸距離和速率

　　CAN總線特點：(1) 數(shù)據(jù)通信沒有主從之分，任意一個節(jié)點可以向任何其他(一個或多個)節(jié)點發(fā)起數(shù)據(jù)通信，靠各個節(jié)點信息優(yōu)先級先后順序來決定通信次序，高優(yōu)先級節(jié)點信息在134μs通信; (2) 多個節(jié)點同時發(fā)起通信時，優(yōu)先級低的避讓優(yōu)先級高的，不會對通信線路造成擁塞; (3) 通信距離最遠可達10KM(速率低于5Kbps)速率可達到1Mbps(通信距離小于40M);(4) CAN總線傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜。CAN總線適用于大數(shù)據(jù)量短距離通信或者長距離小數(shù)據(jù)量，實時性要求比較高，多主多從或者各個節(jié)點平等的現(xiàn)場中使用。

　　技術(shù)介紹

　　1、位仲裁

　　要對數(shù)據(jù)進行實時處理，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。在幾個站同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，要求快速地進行總線分配。實時處理通過網(wǎng)絡(luò)交換的緊急數(shù)據(jù)有較大的不同。一個快速變化的物理量，如汽車引擎負載，將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數(shù)據(jù)并要求更短的延時。

　　CAN總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送，報文的優(yōu)先級結(jié)合在11位標識符中，具有最低二進制數(shù)的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設(shè)計時被確立后就不能再被更改?？偩€讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖2所示，當幾個站同時發(fā)送報文時，站1的報文標識符為011111;站2的報文標識符為0100110;站3的報文標識符為0100111。所有標識符都有相同的兩位01，直到第3位進行比較時，站1的報文被丟掉，因為它的第3位為高，而其它兩個站的報文第3位為低。站2和站3報文的4、5、6位相同，直到第7位時，站3的報文才被丟失。注意，總線中的信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權(quán)的站的報文。在此例中，站2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點在于，在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪一個站的報文被傳送以前，報文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上傳送了。所有未獲得總線讀取權(quán)的站都成為具有最高優(yōu)先權(quán)報文的接收站，并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文。

　　CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用，這些請求是根據(jù)報文在整個系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡(luò)負載較重時有很多優(yōu)點，因為總線讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了，這可以保證在實時系統(tǒng)中較低的個體隱伏時間。

　　對于主站的可靠性，由于CAN協(xié)議執(zhí)行非集中化總線控制,所有主要通信，包括總線讀取 (許可)控制，在系統(tǒng)中分幾次完成。這是實現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。

　　2、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。它的最后四個位用來指明數(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(yīng)答場(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(luò)中至少有一個站能正確接收到報文。

　　報文的尾部由幀結(jié)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)。

　　3、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(yīng)答場和幀結(jié)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(yīng)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。

　　>> 數(shù)據(jù)錯誤檢測

　　不同于其它總線，CAN協(xié)議不能使用應(yīng)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(nèi)容檢查。一種檢查錯誤的方法分別為：循環(huán)冗余檢查(CRC)、幀檢查、應(yīng)答錯誤、總線檢測、位填充。