控制器局域網(wǎng)CAN總線技術規(guī)范

1、CAN技術協(xié)議,5.1、CAN總線簡介 5.2、CAN總線通信模式 5.3、CAN總線的性能特點 5.4、CAN總線技術規(guī)范,5.1、CAN總線簡介,控制器局域網(wǎng)絡（Controller Area Network 簡稱CAN）主要用于各種過程（設備）監(jiān)測及控制。CAN最初是由德國的Bosch公司為汽車的監(jiān)測與控制設計的，但由于CAN總線本身的突出特點，其應用領域目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向過程工業(yè)、機械工業(yè)、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領域發(fā)展。由于其高性能、高可靠性及獨特的設計，CAN總線越來越受到人們的重視，國際上已經(jīng)有很多大公司的產(chǎn)品采用了這一技術。CAN已經(jīng)形成國際標準（IS

2、O11898），并已成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術之一,5.2 CAN總線的通信模式,第一，“載波監(jiān)測，多主掌控/沖突避免 這就允許在總線上的任一設備有同等的機會取得總線的控制權(quán)來向外發(fā)送信息。如果在同一時刻有兩個以上的設備欲發(fā)送信息，就會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，CAN總線能夠?qū)崟r地檢測這些沖突情況并作出相應的仲裁而不會破壞待傳之信息,第二，信息報文在傳送時不是基于目的站點地址； 這就允許不同的信息以“廣播”的形式發(fā)送到所有節(jié)點并且可在不改變信息格式的前提下對報文進行不同配置,第三，CAN總線是一種高速的，具備復雜的錯誤檢測和恢復能力的高可靠性強有力的網(wǎng)絡,5.2 CAN總線的通信模式,一、CSMA/CD載

3、波監(jiān)測，多主掌控/沖突避免 “載波監(jiān)測”的意思是指在總線上的每個節(jié)點在發(fā)送信息報文前都必須監(jiān)測到總線上有一段時間的空閑狀態(tài),多主掌控”的意思是一旦此一空閑狀態(tài)被監(jiān)測到，那么每個節(jié)點都有均等的機會來發(fā)送報文,沖突避免”是指在兩上節(jié)點同時發(fā)送信息時，節(jié)點本身首先會檢測到出現(xiàn)沖突，然后采取相應的措施來解決這一沖突情況。此時優(yōu)先級高的報文先發(fā)送，低優(yōu)先級的報文發(fā)送會暫停。在CAN總線協(xié)議中是通過一種非破壞性的仲裁方式來實現(xiàn)沖突檢測。這也就意味著當總線出現(xiàn)發(fā)送沖突時，通過仲裁后原發(fā)送信息不會受到任何影響。所有的仲裁判別都不會破壞優(yōu)先級高的報文信息內(nèi)容，也不會對其發(fā)送產(chǎn)生任何的時延,5.2 CAN總線的通

4、信模式,如何實現(xiàn)非破壞性的位仲裁？ 為了達到這種“非破壞性的位仲裁方式”，CAN總線協(xié)議必須滿足一些前提條件。首先，必須定義兩種邏輯狀態(tài)在這里叫作“支配位（DOMINANT）” (又稱“顯性”電平)和“順從位（RECESSIVE）”（又稱 “隱性”電平）；然后，節(jié)點在發(fā)送過程中必須檢測剛剛發(fā)出的狀態(tài)是否就是信息中所描述的內(nèi)容。在CAN總線的定義中，邏輯0為支配位，邏輯1為順從位,5.2 CAN總線的通信模式,如何沖突仲裁？ 支配位一定會在和順從位的判別過程中獲勝，換句話說，報文標記區(qū)（報文仲裁專用區(qū)域）的值越小，其優(yōu)先級就越高。舉個例子，假定有兩個節(jié)點在同一時刻發(fā)送一個報文，每個節(jié)點都會監(jiān)測總

5、線以便了解欲發(fā)送的信息狀態(tài)是否確實出現(xiàn)在總線上。一個優(yōu)先級較低的報文在某一時刻會發(fā)送一個“順從位”但是檢測回來的卻是“支配位”。此時這個節(jié)點被仲裁為發(fā)送權(quán)取消，立刻停止發(fā)送報文的工作。優(yōu)先級較高的報文繼續(xù)發(fā)送直到完整的報文發(fā)送完畢。在剛才沖突仲裁中被取消發(fā)送權(quán)的節(jié)點將等待總線的下一個空閑期并自動地再次嘗試發(fā)送,5.2 CAN總線的通信模式,二、基于報文的通訊 CAN總線是一個基于報文而不是基于站點地址的協(xié)議。也就是說報文不是按照地址從一個節(jié)點傳送到另一個節(jié)點。CAN總線上報文所包含的內(nèi)容只有優(yōu)先級標志區(qū)和欲傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容。所有節(jié)點都會接收到在總線上傳送的報文，并在正確接后發(fā)出應答確認。至于該報

6、文是否要做進一步的處理或被丟棄將完全取決于接收節(jié)點本身。同一個報文可以發(fā)送給特定的站點或許多站點，就看你怎樣去設計你的網(wǎng)絡和系統(tǒng)。 基于報文的這種協(xié)議另外一個好處是新的節(jié)點可以隨時方便地加入到現(xiàn)有的系統(tǒng)中，而不需對所有節(jié)點進行重新編程以便它們能識別這一新節(jié)點。一旦新節(jié)點加入到網(wǎng)絡中，它就開始接收信息，判別信息標識，然后決定是否作處理或直接丟棄,如何去實現(xiàn),5.2 CAN總線的通信模式,CAN總協(xié)議另外一個有用的特性是一個節(jié)點可以主動要求其它節(jié)點發(fā)送信息。這種特性叫做“遠端發(fā)送請求”（RTR）。 和上例不同之處在于，節(jié)點并不等待信息的到來，而是主動去索取。 如，汽車中的中央安全系統(tǒng)會頻繁地更新一

7、些象安全氣袋等關鍵傳感器的信息。 但是有些信息如油壓傳感器或電池電壓傳感器可能不會也不需要經(jīng)常收到。為了確保了解這些設備是否工作正常，系統(tǒng)必須定期地要求此類設備發(fā)送相關的信息以便檢查整個系統(tǒng)的工作情況。設計人員就可以利用這一“遠端發(fā)送請求”特性來減少網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通訊量，同時維持整個系統(tǒng)的完整性,5.2 CAN總線的通信模式,CAN總線定義了四種不同的幀,用于總線通訊。 1、最常用的是“數(shù)據(jù)幀”，用于一個節(jié)點傳送信息到其它任一或所有節(jié)點,2、“遠端幀”，基本上是一個數(shù)據(jù)幀但其中的RTR位被置1，表明這是一個“遠端發(fā)送請求”，用于一個節(jié)點主動要求其它節(jié)點發(fā)送信息,3 、“錯誤幀”，如果節(jié)點在接收過程

8、中檢測到任一在CAN總線協(xié)議中定義了的錯誤信息，它就會發(fā)送一個錯誤幀,4、“過載幀”，當一個節(jié)點正忙于處理接收的信息，需要額外的等待時間接收下一報文時，可以發(fā)送過載幀，通知其它節(jié)點暫緩發(fā)送新報文,5.2 CAN總線的通信模式,三、CAN總線是一種高速的，具備復雜的錯誤檢測和恢復能力的高可靠性強有力的網(wǎng)絡 （1）高速性： CAN總線一開始是為汽車工業(yè)而設計的，如果要使這一市場能夠接受它，一個能高效處理出錯情況的通訊協(xié)議是至關重要的。在發(fā)布了2.0B版的CAN總線技術規(guī)范后，其最大的通訊速率已經(jīng)比1.0版提高了8倍，達1M位/秒,在這種速率下，即便是對時間要求非常關鍵的參數(shù)也可以通過CAN總線傳輸

9、而不必擔心其時延,5.2 CAN總線的通信模式,2）CAN總線協(xié)議有一套完整的差錯管理機制 能夠自動地檢測出這些錯誤信息，由此保證了被傳信 息的正確必性和完整性,錯誤類型 發(fā)送錯誤可通過“CRC出錯”檢測到； 普通接收錯誤可通過“應答出錯”檢測到； CAN報文格式錯誤可通過“格式出錯”檢測到； CAN總線信號錯誤可通過“位出錯”檢測到； 同步和定時錯誤可通過“阻塞出錯”檢測到,5.2 CAN總線的通信模式,每個CAN總線上的節(jié)點都有一個出錯計數(shù)器用以記錄各種錯誤發(fā)生的次數(shù)。取決于出錯的嚴重性，通過這些計數(shù)器就可以確認這些節(jié)點是否應工作到降級模式； 總線上的節(jié)點可以從正常工作模式（正常收發(fā)數(shù)據(jù)和

10、出錯信息）降級到消極工作模式（只有在總線空閑時才能取得控制權(quán)），或者到關斷模式（和總線隔離）。 CAN總線上各節(jié)點還有能力監(jiān)測是短期的干擾還是永久性的故障，并采取相關的應對措施，這種特性被叫做“故障界定隔離”。采取了這種故障界定隔離措施后，故障節(jié)點將會被及時關斷，不會永久占用總線。這一點對關鍵信息能在總線上暢通無阻地傳送是非常重要的,5.3 CAN總線的技術特點,由于其采用了許多新技術及獨特的設計與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點可概括如下： 1.CAN為多主工作方式，網(wǎng)絡上任意以節(jié)點均可在任意時刻主動的地向網(wǎng)絡上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從,2

11、.CAN網(wǎng)絡上的節(jié)點信息分為不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在134s內(nèi)得到傳輸,3.CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響的繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù),4.CAN程序通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度,5.3 CAN總線的技術特點,5.CAN的直線通信距離最長可達10km（速率5Kbps以下），通信速率最高可達1Mbps（此時通信距離最長為40m,6.CAN上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達128個；報文標識符可達2032種（CAN2.

12、0A），而擴展標準（CAN2.0B）的報文標識符幾乎不受限制,7.采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，具有良好的檢錯效果,5.3 CAN總線的技術特點,8.CAN的每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低,9.CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活,10.CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出的功能，以使總線上其它節(jié)點的操作不受限制,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,隨著CAN在各種領域的應用和推廣，對其通信格式的標準化提出了要求。為此，1991年9月Philips Semiconductors制定并發(fā)布了CAN技術規(guī)范（Version 2.0,該技術規(guī)范

13、包括A和B兩部分： CAN技術規(guī)范2.0A給出了報文標準格式； CAN技術規(guī)范2.0B給出標準和擴展的兩種報文格式。 這里主要介紹CAN技術規(guī)范2.0B,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,5.4.1 CAN的分層結(jié)構(gòu) 5.4.2 CAN報文傳送及總線上的位電平表示 5.4.3 CAN總線報文的幀結(jié)構(gòu) 5.4.4 錯誤類型和界定 5.4.5 位定時與同步,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,5.4.1 CAN的分層結(jié)構(gòu) 為了使設計透明和執(zhí)行靈活，遵循ISO/OSI標準模型，CAN分為數(shù)據(jù)鏈路層（包括邏輯鏈路層LLC和媒體訪問控制層MAC）和物理層， 在CAN技術規(guī)范2.0A的版本中，數(shù)據(jù)鏈路層的LLC和M

14、AC子層的服務和功能被描述為“目標層”和“傳輸層,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,媒體訪問控制子層MAC子層的功能主要是傳送規(guī)則，以及控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定和故障界定。MAC子層也要確定為開始一次新的發(fā)送，總線是否開放或者是否馬上開始接收，位定時也是MAC子層的一部分。物理層的功能是有關全部電氣特性不同的節(jié)點間位的實際傳送,邏輯鏈路子層LLC子層的主要功能是報文濾波、超載通知和恢復管理,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,圖1.CAN的分層結(jié)構(gòu)和功能,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,5.4.2 CAN報文傳送及總線上的位電平表示 （1）進行數(shù)據(jù)傳送時，發(fā)出報文的單元成為該報文的發(fā)送器。

15、 該單元在總線空閑或丟失仲裁前恒為發(fā)送器。 （2）如果一個單元不是報文發(fā)送器，并且總線不出現(xiàn)空閑狀態(tài)，則該單元為接收器,對于報文接收器和發(fā)送器，報文的實際有效時刻是不同的。 （1）對于發(fā)送器而言，如果直到幀結(jié)束末尾一直未出錯，則對于發(fā)送器報文有效。如果報文受損，將允許按照優(yōu)先權(quán)順序自動重發(fā)，為了能同其它總線訪問競爭，總線一旦空閑。重發(fā)送立即開始。 （2）對于報文接收器而言，如果直到幀結(jié)束的最后一位一直未出錯，則對于接收器報文有效,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,當發(fā)送器在發(fā)送的位流中檢測到5為連續(xù)的相同數(shù)值時，將自動的在實際發(fā)送的位流中插入一個補碼位。而數(shù)據(jù)幀和遠程幀的其余位場則采用固定格式，不

16、進行填充，出錯幀和超載幀同樣是固定格式,位填充規(guī)則 構(gòu)成一幀的幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場和CRC序列均借助位填充規(guī)則進行編碼,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,報文中的位流是按照非歸零（NZR）碼方法編碼的，這意味著一個完整的位電平要么是顯性，要么是隱性。 在“隱性”狀態(tài)下，Vcanh和Vcanl被固定于平均電壓電平，Vdiff近似為零。在總線空閑或“隱性”位期間，發(fā)送“隱性”狀態(tài)?！帮@性”狀態(tài)以大于最小閥值的差分電壓表示。 如圖2所示。在“顯性”位期間，“顯性”狀態(tài)改寫“隱性”狀態(tài)并發(fā)送,5.3 CAN總線的技術規(guī)范,圖2.總線上的位電平表示,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,5.4.3 CAN

17、總線報文的幀結(jié)構(gòu) CAN總線的報文傳送由4種不同類型的幀表示和控制： 數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器至接收器； 遠程幀通過總線單元發(fā)送，以請求發(fā)送具有相同標識符的數(shù)據(jù)幀； 出錯幀由檢測出總線錯誤的任何單元發(fā)送； 超載幀用于提供當前的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀的附加延遲。 數(shù)據(jù)幀和遠程幀借助幀間空間和當前幀分開,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,1、數(shù)據(jù)幀 數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應答場和幀結(jié)束。數(shù)據(jù)長度可為0。CAN技術規(guī)范2.0B數(shù)據(jù)幀的組成如圖3所示,圖3.數(shù)據(jù)幀的組成,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,在CAN技術規(guī)范2.0B中存在兩種不同的幀格式，其主要區(qū)別在于標識

18、符的長度，具有11位標識符的幀稱為標準幀，而包括29位標識符的稱為擴展幀。標準格式和擴展格式的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖4，圖5所示,圖4.標準格式的數(shù)據(jù)幀,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,圖4.擴展格式的數(shù)據(jù)幀,SRR:替代遠程請求 IDE:標識位擴展位 RTR:遠程發(fā)送請求位,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,CAN技術規(guī)范2.0B對報文濾波特別加以描述，報文濾波器以整個標識符位基準。屏蔽寄存器可用于選擇一組標識符，以便映像至接收緩存器中，屏蔽寄存器每一位都必須是可編程的，它的長度可以是整個標識符，也可以僅是其中一部分,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,1）幀起始（SOF）標志數(shù)據(jù)幀和遠程幀的起始，它僅由一個顯

19、性位構(gòu)成，只有在總線處于空閑狀態(tài)時，才允許單元開始發(fā)送。所有單元都必須同步于首先開始發(fā)送的那個單元的幀起始前沿,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,圖6.仲裁場組成,2）仲裁場由標識符和遠程發(fā)送請求位（RTR）組成，如圖6所示,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,對于CAN技術規(guī)范2.0A，標識符的長度為11位，這些位一從高位到低位的順序發(fā)送，最低位為ID.0，其中最高7位不能全為隱性。RTR位在數(shù)據(jù)幀中必須為顯性，而在遠程幀中必須為隱性,CAN技術規(guī)范2.0A數(shù)據(jù)幀,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,對于CAN技術規(guī)范2.0B，標準格式和擴展格式的仲裁場不同，在標準格式中，11位標識符和遠程發(fā)送請求位RTR

20、組成，標識符位為ID.28-ID.18； RTR位在數(shù)據(jù)幀中必須為顯性，而在遠程幀中必須為隱性。 為區(qū)別標準格式和擴展格式，將CAN技術規(guī)范2.0A中的r 1改記為IDE位,CAN技術規(guī)范2.0B的標準格式,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,對于CAN技術規(guī)范2.0B，在擴展格式中， 仲裁場:29位標識符ID.28-ID.0 ; 替代遠程請求SRR位（隱性位）; 標識位擴展位IDE（隱性位）; 遠程發(fā)送請求位RTR,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,SRR的全稱是“替代遠程請求位（Substitute Remote Request BIT）”，SRR是一隱性位。它在擴展格式的標準幀RTR位上被發(fā)送，并

21、代替標準幀的RTR位。因此，如果擴展幀的基本ID和標準幀的識別符相同，標準幀與擴展幀的沖突是通過標準幀優(yōu)先于擴展幀這一途徑得以解決的,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,IDE的全稱是“識別符擴展位（Identifier Extension Bit）”，對于擴展格式，IDE位屬于仲裁場；對于標準格式，IDE位屬于控制場。標準格式里的IDE位為“顯性”，而擴展格式里的IDE位為“隱性”。通過判別SRR和IDE是否均為隱性識別為擴展格式，而不是標準格式的數(shù)據(jù)幀或遠程幀,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,CAN2.0B的擴展幀和CAN2.0A和CAN2.0B的標準幀一樣，在數(shù)據(jù)幀中RTR位必須為顯性，而在遠程幀中必須為隱性,5.4 CAN總線的技術規(guī)范,3）控制場由6位組成，由圖可見，控制場包括數(shù)據(jù)長度碼和兩個保留位，這兩個保留位必須發(fā)送顯性位，但接收器認可顯性和隱性的全部組合。數(shù)據(jù)長度碼DLC指出數(shù)據(jù)場的字節(jié)數(shù)目。數(shù)據(jù)長度碼為四位，在控