CAN總線協議及概念

1,CAN總線協議基本概念:

(1),報文:總線上的信息以不同格式的報文發送,但長度有限。當總線開放時,任何連接的單元均可開始發送一個新報文。

(2),信息路由:在CAN系統中,一個CAN節點不使用有關系統結構的任何信息,這里包含一些重要的概念:系統靈活性——節點可以在不要求所有節點及其應用層改變任何軟件或硬件的情況下,被接于CAN網絡。報文通信——一個報文的內容由其標示符ID命名,ID并不指出報文的目的,但描述數據的含義,以便網絡中的所有節點有可能借助報文濾波決定該數據是否使它們激活。成組——由于采用了報文濾波,所有節點均可接受報文,并同時被相同的報文激活。數據相容性——在CAN網絡中,可以確保報文同時被所有的節點或者沒有節點接受,因此,系統的數據相容性是借助于成組和出錯處理達到的。

(3),位速率:CAN的數據傳輸率在不同的系統中是不同的,而在一個系統中是固定的速率。

(4),優先權:在總線訪問期間,標示符定義了一個報文靜態的優先權。

(5),遠程數據請求:通過發送一個遠程幀,需要數據的節點可以請求另一個節點發送相應的數據幀,該數據幀與對應的遠程幀以相同的標示符ID命名。

(6),多主站:當總線開放時,任何單元均可以開始發送報文,發送具有最高優先權報文的單元會贏得總線的訪問權。

(7),仲裁:當總線開放時,任何單元均可以開始發送報文,若同時有兩個或者更多的單元開始發送,總線訪問沖突運用逐位仲裁規則,借助標示符ID解決,這種仲裁規則可以使信息和時間均無損失,若具有相同標示符的一個數據幀和一個遠程幀同時發送,數據幀優先于遠程幀,仲裁期間,每個發送器都對發送位電平與總線上檢測到的電平進行比較,若相同則該單元可以繼續發送,當發送一個隱性電平,而在總線上檢測為顯性電平時,該單元退出仲裁,并不再傳送后繼位了。

(8),安全性:CAN總線協議為了獲得盡可能高的數據傳輸安全性,在每個CAN節點中均設有錯誤檢測,標定和自檢的強有力措施。檢測措施包括:發送自檢,循環冗余校驗,位填充,和報文格式檢查。

(9),出錯標注和恢復時間:已損壞的報文由檢驗出錯的節點進行標注。這樣的報文將失效,并自動進行重發送。如果不存在新的錯誤,從檢出錯誤到下一個報文開始發送的恢復實踐最多為29個位時間。

(10),故障界定:CAN節點又能力識別永久性的故障和暫時擾動,可自動關閉故障節點。

(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,理論上單元數目是無限的,實際上,單元總數受限于延遲時間和總線的電器負載。

(12),應答:所有接收器均對接收報文的相容性進行檢查,回答一個相容的報文,并標注一個不相容的報文。

2,CAN的特點:屬于串行通信網絡

(1),通信方式靈活。多主從方式工作,網絡上任何節點均可以在任何時刻主動的向其他節點發送信息,不分主從。無需站地址等節點信息。可以構成多機備份系統。

(2),CAN網絡上的節點信息分成不同的優先級,可以滿足不同的實時要求。

(3),CAN采取非破壞性的總線仲裁技術,多個節點同時發送信息時,優先級低的節點會主動退出發送。

(4),CAN只需通過報文濾波就可以實現點對點,1點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收,無需調度。

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

(6),CAN上的節點數目前可達110個;報文標示符可達2032種(CAN2.0A ),而CAN2.0B報文標示符幾乎不受限制。

(7),CAN通信采用短幀格式,傳輸時間短,抗干擾強,極好的驗錯效果,每幀最多8B足以滿足控制要求,不會占用過長總線時間,實時性強。

(8),CAN每幀都有CRC校驗及其他驗錯措施。

(9),接口中集成了CAN總線協議的物理層和數據鏈路層。

(10),CAN的通信介質可為雙絞線或同軸電纜,光纖。

(11),CAN節點在錯誤嚴重情況下具有自動關閉輸出功能。

3,CAN總線協議基本規則:

(1),總線訪問:采用載波監聽多路訪問,CAN控制器之恩能夠在總線空閑時,就是節點偵聽到網絡上至少存在3個空閑位(隱性位)時開始發送,采用硬同步,所有的控制器同步都為與幀的起始的前沿。過了一定時間,并在一定條件后,重同步。

(2),仲裁:各節點向總線發電平時,也對總線上電平進行讀取,并于自身發送的電平進行比較,相同則發下一位,直至全部發完。不同則說明網絡上有更高優先級的信息幀正在發送,即停止發送,退出競爭。

(3),編碼/解碼:幀起始域,仲裁域,控制域,數據域和CRC序列均使用位填充技術進行編碼,就是5個連續的同狀態電平插入一位與它相補的電平,還原時每5個同狀態的電平后的相補電平被刪除。

(4),出錯標注:當檢測到位錯誤,填充錯誤,形式錯誤或應答錯誤時,檢測出錯條件的CAN控制器將發送一個出錯標志。

(5),超載標注,一些控制器會發送一個或多個超載幀以延遲下一個數據幀或遠程幀的發送。

相關組織

　　依據國際標準化組織／開放系統互連(International Standardi-zation Organization／Open SystemInterconnection，ISO／OSI)參考模型，CAN的ISO／OSI參考模型的層結構如圖7-6所示。

概念和特征

　　下面對CAN協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)總線上的報文以不同報文格式發送，但長度受到限制。當總線空閑時，任何一個網絡上的節點都可以發送報文。

　　(2)信息路由(Information Routing)在CAN中，節點不使用任何關于系統配置的報文，比如站地址，由接收節點根據報文本身特征判斷是否接收這幀信息。因此系統擴展時，不用對應用層以及任何節點的軟件和硬件作改變，可以直接在CAN中增加節點。

　　(3)標識符(Identifier)要傳送的報文有特征標識符(是數據幀和遠程幀的一個域)，它給出的不是目標節點地址，而是這個報文本身的特征。信息以廣播方式在網絡上發送，所有節點都可以接收到。節點通過標識符判定是否接收這幀信息。

　　(4)數據一致性應確保報文在CAN里同時被所有節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的。

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

　　(6)優先權 由發送數據的報文中的標識符決定報文占用總線的優先權。標識符越小，優先權越高。

　　(7)遠程數據請求(Remote Data Request)通過發送遠程幀，需要數據的節點請求另一節點發送相應的數據。回應節點傳送的數據幀與請求數據的遠程幀由相同的標識符命名。

　　(8)仲裁(Arbitration)只要總線空閑，任何節點都可以向總線發送報文。如果有兩個或兩個以上的節點同時發送報文，就會引起總線訪問碰撞。通過使用標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。當具有相同標識符的數據幀和遠程幀同時發送時，數據幀優先于遠程幀。在仲裁期間，每一個發送器都對發送位的電平與被監控的總線電平進行比較。如果電平相同，則這個單元可以繼續發送，如果發送的是“隱性”電平而監視到的是“顯性”電平，那么這個單元就失去了仲裁，必須退出發送狀態。

　　(9)總線狀態 總線有“顯性”和“隱性”兩個狀態，“顯性”對應邏輯“0”，“隱性”對應邏輯“1”。“顯性”狀態和“隱性”狀態與為“顯性”狀態，所以兩個節點同時分別發送“0”和“1”時，總線上呈現“0”。CAN總線采用二進制不歸零(NRZ)編碼方式，所以總線上不是“0”，就是“1”。但是CAN協議并沒有具體定義這兩種狀態的具體實現方式，如圖7-7所示。 (10)故障界定(Confinement) CAN節點能區分瞬時擾動引起的故障和永久性故障。故障節點會被關閉。

　　(11)應答接收節點對正確接收的報文給出應答，對不一致報文進行標記。

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

　　(13)CAN總線上的節點數可達110個。通信介質可在雙絞線，同軸電纜，光纖中選擇。

　　(14)報文是短幀結構，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。

2 CAN總線協議內容

　　CAN總線的物理層是將ECU連接至總線的驅動電路。ECU的總數將受限于總線上的電氣負荷。物理層定義了物理數據在總線上各節點間的傳輸過程，主要是連接介質、線路電氣特性、數據的編碼／解碼、位定時和同步的實施標準。

總線競爭的原則

　　BOSCH CAN基本上沒有對物理層進行定義，但基于CAN的ISO標準對物理層進行了定義。設計一個CAN系統時，物理層具有很大的選擇余地，但必須保證CAN協議中媒體訪問層非破壞性位仲裁的要求，即出現總線競爭時，具有較高優先權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特征。在沒有發送顯性位時，總線處于隱性狀態，空閑時，總線處于隱性狀態；當有一個或多個節點發送顯性位，顯性位覆蓋隱性位，使總線處于顯性狀態。

　　在此基礎上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。從物理結構上看，CAN節點的構成如圖7-8所示。在CAN中，物理層從結構上可分為三層：分別是物理層信令(Physical Layer Signaling，PLS)、物理介質附件(Physical MediaAttachment，PMA)層和介質從屬接口(Media Dependent：Inter-face，MDI)層。其中PLS連同數據鏈路層功能由CAN控制器完成，PMA層功能由CAN收發器完成，MDI層定義了電纜和連接器的特性。目前也有支持CAN的微處理器內部集成了CAN控制器和收發器電路，如MC68HC908GZl6。PMA和MDI兩層有很多不同的國際或國家或行業標準，也可自行定義，比較流行的是ISOll898定義的高速CAN發送／接收器標準。

節點數量

　　理論上，CAN總線上的節點數幾乎不受限制，可達到2000個，實際上受電氣特性的限制，最多只能接100多個節點。

CAN的數據鏈路層

　　CAN的數據鏈路層是其核心內容，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等功能，媒體訪問控制(Medium Aeeess control，MAC)子層完成數據打包／解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、應答、串并轉換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的。

3 CAN總線的報文傳輸和結構

報文類型

　　在CAN2．0B的版本協議中有兩種不同的幀格式，不同之處為標識符域的長度不同，含有ll位標識符的幀稱之為標準幀，而含有29位標識符的幀稱為擴展幀。如CAN1．2版本協議所描述，兩個版本的標準數據幀格式和遠程幀格式分別是等效的，而擴展格式是CAN2．0B協議新增加的特性。為使控制器設計相對簡單，并不要求執行完全的擴展格式，對于新型控制器而言，必須不加任何限制的支持標準格式。但無論是哪種幀格式，在報文

幀類型

　　傳輸時都有以下四種不同類型的幀：

　　(1)數據幀(Data )數據幀將數據從發送器傳輸到接收器。

　　(2)遠程幀(Remote )總線單元發出遠程幀，請求發送具有同一標識符的數據幀。

　　(3)錯誤幀(Error )任何單元檢測到總線錯誤就發出錯誤幀。

　　(4)過載幀(Overload )過載幀用在相鄰數據幀或遠程幀之間提供附加的延時。

　　數據幀或遠程幀與前一個幀之間都會有一個隔離域，即幀間間隔。數據幀和遠程幀可以使用標準幀及擴展幀兩種格式。

現在的汽車已經不再僅僅是一種死氣沉沉的交通工具了。計算機的發明，也讓汽車有了一個職能的心。跟中嵌入式的計算機核心應用到汽車當中。那么如何規范這個核心的工作呢？這就需要CAN總線協議來幫忙了。現在讓我們來了解一下這方面的知識吧。

1,CAN總線協議基本概念:

(1),報文:總線上的信息以不同格式的報文發送,但長度有限。當總線開放時,任何連接的單元均可開始發送一個新報文。

(2),信息路由:在CAN系統中,一個CAN節點不使用有關系統結構的任何信息,這里包含一些重要的概念:系統靈活性——節點可以在不要求所有節點及其應用層改變任何軟件或硬件的情況下,被接于CAN網絡。報文通信——一個報文的內容由其標示符ID命名,ID并不指出報文的目的,但描述數據的含義,以便網絡中的所有節點有可能借助報文濾波決定該數據是否使它們激活。成組——由于采用了報文濾波,所有節點均可接受報文,并同時被相同的報文激活。數據相容性——在CAN網絡中,可以確保報文同時被所有的節點或者沒有節點接受,因此,系統的數據相容性是借助于成組和出錯處理達到的。

(3),位速率:CAN的數據傳輸率在不同的系統中是不同的,而在一個系統中是固定的速率。

(4),優先權:在總線訪問期間,標示符定義了一個報文靜態的優先權。

(5),遠程數據請求:通過發送一個遠程幀,需要數據的節點可以請求另一個節點發送相應的數據幀,該數據幀與對應的遠程幀以相同的標示符ID命名。

(6),多主站:當總線開放時,任何單元均可以開始發送報文,發送具有最高優先權報文的單元會贏得總線的訪問權。

(7),仲裁:當總線開放時,任何單元均可以開始發送報文,若同時有兩個或者更多的單元開始發送,總線訪問沖突運用逐位仲裁規則,借助標示符ID解決,這種仲裁規則可以使信息和時間均無損失,若具有相同標示符的一個數據幀和一個遠程幀同時發送,數據幀優先于遠程幀,仲裁期間,每個發送器都對發送位電平與總線上檢測到的電平進行比較,若相同則該單元可以繼續發送,當發送一個隱性電平,而在總線上檢測為顯性電平時,該單元退出仲裁,并不再傳送后繼位了。

(8),安全性:CAN總線協議為了獲得盡可能高的數據傳輸安全性,在每個CAN節點中均設有錯誤檢測,標定和自檢的強有力措施。檢測措施包括:發送自檢,循環冗余校驗,位填充,和報文格式檢查。

(9),出錯標注和恢復時間:已損壞的報文由檢驗出錯的節點進行標注。這樣的報文將失效,并自動進行重發送。如果不存在新的錯誤,從檢出錯誤到下一個報文開始發送的恢復實踐最多為29個位時間。

(10),故障界定:CAN節點又能力識別永久性的故障和暫時擾動,可自動關閉故障節點。

(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,理論上單元數目是無限的,實際上,單元總數受限于延遲時間和總線的電器負載。

(12),應答:所有接收器均對接收報文的相容性進行檢查,回答一個相容的報文,并標注一個不相容的報文。

2,CAN的特點:屬于串行通信網絡

(1),通信方式靈活。多主從方式工作,網絡上任何節點均可以在任何時刻主動的向其他節點發送信息,不分主從。無需站地址等節點信息。可以構成多機備份系統。

(2),CAN網絡上的節點信息分成不同的優先級,可以滿足不同的實時要求。

(3),CAN采取非破壞性的總線仲裁技術,多個節點同時發送信息時,優先級低的節點會主動退出發送。

(4),CAN只需通過報文濾波就可以實現點對點,1點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收,無需調度。

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

(6),CAN上的節點數目前可達110個;報文標示符可達2032種(CAN2.0A ),而CAN2.0B報文標示符幾乎不受限制。

(7),CAN通信采用短幀格式,傳輸時間短,抗干擾強,極好的驗錯效果,每幀最多8B足以滿足控制要求,不會占用過長總線時間,實時性強。

(8),CAN每幀都有CRC校驗及其他驗錯措施。

(9),接口中集成了CAN總線協議的物理層和數據鏈路層。

(10),CAN的通信介質可為雙絞線或同軸電纜,光纖。

(11),CAN節點在錯誤嚴重情況下具有自動關閉輸出功能。

3,CAN總線協議基本規則:

(1),總線訪問:采用載波監聽多路訪問,CAN控制器之恩能夠在總線空閑時,就是節點偵聽到網絡上至少存在3個空閑位(隱性位)時開始發送,采用硬同步,所有的控制器同步都為與幀的起始的前沿。過了一定時間,并在一定條件后,重同步。

(2),仲裁:各節點向總線發電平時,也對總線上電平進行讀取,并于自身發送的電平進行比較,相同則發下一位,直至全部發完。不同則說明網絡上有更高優先級的信息幀正在發送,即停止發送,退出競爭。

(3),編碼/解碼:幀起始域,仲裁域,控制域,數據域和CRC序列均使用位填充技術進行編碼,就是5個連續的同狀態電平插入一位與它相補的電平,還原時每5個同狀態的電平后的相補電平被刪除。

(4),出錯標注:當檢測到位錯誤,填充錯誤,形式錯誤或應答錯誤時,檢測出錯條件的CAN控制器將發送一個出錯標志。

(5),超載標注,一些控制器會發送一個或多個超載幀以延遲下一個數據幀或遠程幀的發送。

相關組織

　　依據國際標準化組織／開放系統互連(International Standardi-zation Organization／Open SystemInterconnection，ISO／OSI)參考模型，CAN的ISO／OSI參考模型的層結構如圖7-6所示。

概念和特征

　　下面對CAN協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)總線上的報文以不同報文格式發送，但長度受到限制。當總線空閑時，任何一個網絡上的節點都可以發送報文。

　　(2)信息路由(Information Routing)在CAN中，節點不使用任何關于系統配置的報文，比如站地址，由接收節點根據報文本身特征判斷是否接收這幀信息。因此系統擴展時，不用對應用層以及任何節點的軟件和硬件作改變，可以直接在CAN中增加節點。

　　(3)標識符(Identifier)要傳送的報文有特征標識符(是數據幀和遠程幀的一個域)，它給出的不是目標節點地址，而是這個報文本身的特征。信息以廣播方式在網絡上發送，所有節點都可以接收到。節點通過標識符判定是否接收這幀信息。

　　(4)數據一致性應確保報文在CAN里同時被所有節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的。

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

　　(6)優先權 由發送數據的報文中的標識符決定報文占用總線的優先權。標識符越小，優先權越高。

　　(7)遠程數據請求(Remote Data Request)通過發送遠程幀，需要數據的節點請求另一節點發送相應的數據。回應節點傳送的數據幀與請求數據的遠程幀由相同的標識符命名。

　　(8)仲裁(Arbitration)只要總線空閑，任何節點都可以向總線發送報文。如果有兩個或兩個以上的節點同時發送報文，就會引起總線訪問碰撞。通過使用標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。當具有相同標識符的數據幀和遠程幀同時發送時，數據幀優先于遠程幀。在仲裁期間，每一個發送器都對發送位的電平與被監控的總線電平進行比較。如果電平相同，則這個單元可以繼續發送，如果發送的是“隱性”電平而監視到的是“顯性”電平，那么這個單元就失去了仲裁，必須退出發送狀態。

　　(9)總線狀態 總線有“顯性”和“隱性”兩個狀態，“顯性”對應邏輯“0”，“隱性”對應邏輯“1”。“顯性”狀態和“隱性”狀態與為“顯性”狀態，所以兩個節點同時分別發送“0”和“1”時，總線上呈現“0”。CAN總線采用二進制不歸零(NRZ)編碼方式，所以總線上不是“0”，就是“1”。但是CAN協議并沒有具體定義這兩種狀態的具體實現方式，如圖7-7所示。 (10)故障界定(Confinement) CAN節點能區分瞬時擾動引起的故障和永久性故障。故障節點會被關閉。

　　(11)應答接收節點對正確接收的報文給出應答，對不一致報文進行標記。

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

　　(13)CAN總線上的節點數可達110個。通信介質可在雙絞線，同軸電纜，光纖中選擇。

　　(14)報文是短幀結構，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。

2 CAN總線協議內容

　　CAN總線的物理層是將ECU連接至總線的驅動電路。ECU的總數將受限于總線上的電氣負荷。物理層定義了物理數據在總線上各節點間的傳輸過程，主要是連接介質、線路電氣特性、數據的編碼／解碼、位定時和同步的實施標準。

總線競爭的原則

　　BOSCH CAN基本上沒有對物理層進行定義，但基于CAN的ISO標準對物理層進行了定義。設計一個CAN系統時，物理層具有很大的選擇余地，但必須保證CAN協議中媒體訪問層非破壞性位仲裁的要求，即出現總線競爭時，具有較高優先權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特征。在沒有發送顯性位時，總線處于隱性狀態，空閑時，總線處于隱性狀態；當有一個或多個節點發送顯性位，顯性位覆蓋隱性位，使總線處于顯性狀態。

　　在此基礎上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。從物理結構上看，CAN節點的構成如圖7-8所示。在CAN中，物理層從結構上可分為三層：分別是物理層信令(Physical Layer Signaling，PLS)、物理介質附件(Physical MediaAttachment，PMA)層和介質從屬接口(Media Dependent：Inter-face，MDI)層。其中PLS連同數據鏈路層功能由CAN控制器完成，PMA層功能由CAN收發器完成，MDI層定義了電纜和連接器的特性。目前也有支持CAN的微處理器內部集成了CAN控制器和收發器電路，如MC68HC908GZl6。PMA和MDI兩層有很多不同的國際或國家或行業標準，也可自行定義，比較流行的是ISOll898定義的高速CAN發送／接收器標準。

節點數量

　　理論上，CAN總線上的節點數幾乎不受限制，可達到2000個，實際上受電氣特性的限制，最多只能接100多個節點。

CAN的數據鏈路層

　　CAN的數據鏈路層是其核心內容，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等功能，媒體訪問控制(Medium Aeeess control，MAC)子層完成數據打包／解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、應答、串并轉換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的。

3 CAN總線的報文傳輸和結構

報文類型

　　在CAN2．0B的版本協議中有兩種不同的幀格式，不同之處為標識符域的長度不同，含有ll位標識符的幀稱之為標準幀，而含有29位標識符的幀稱為擴展幀。如CAN1．2版本協議所描述，兩個版本的標準數據幀格式和遠程幀格式分別是等效的，而擴展格式是CAN2．0B協議新增加的特性。為使控制器設計相對簡單，并不要求執行完全的擴展格式，對于新型控制器而言，必須不加任何限制的支持標準格式。但無論是哪種幀格式，在報文

幀類型

　　傳輸時都有以下四種不同類型的幀：

　　(1)數據幀(Data )數據幀將數據從發送器傳輸到接收器。

　　(2)遠程幀(Remote )總線單元發出遠程幀，請求發送具有同一標識符的數據幀。

　　(3)錯誤幀(Error )任何單元檢測到總線錯誤就發出錯誤幀。

　　(4)過載幀(Overload )過載幀用在相鄰數據幀或遠程幀之間提供附加的延時。

　　數據幀或遠程幀與前一個幀之間都會有一個隔離域，即幀間間隔。數據幀和遠程幀可以使用標準幀及擴展幀兩種格式。