CAN的工作原理

1、CAN的工作原理CAN的工作原理當(dāng)CAN總線上的一個節(jié)點（站）發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點。對每個節(jié)點來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對其進行接收。每組報文開頭的11位字符為標(biāo)識符，定義了報文的優(yōu)先級，這種報文 格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識符是唯一的，不可能有兩個站發(fā)送具有相同標(biāo)識符的報文。當(dāng)幾個站同時競爭總線讀取時，這種配置十分重要。當(dāng)一個站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識符傳送給本站的CAN芯片，并處于準備狀態(tài)；當(dāng)它收到總線分配時，轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)岀，這時網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。

2、每個處于接收狀態(tài)的站對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。由于CAN總線是一種面向內(nèi)容的編址方案，因此很容易建立高水準的控制系統(tǒng)并靈活地進行配置。我們可 以很容易地在CAN總線中加進一些新站而無需在硬件或軟件上進行修改。當(dāng)所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設(shè)備時，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化，即總線上控制器需要測量數(shù)據(jù)時，可由網(wǎng)上獲得，而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。什么是CAN ?CAN,全稱為“ Controller Area Network "，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初，CAN被設(shè)計

3、作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動機管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置。一個由CAN總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中， 理論上可以掛接無數(shù)個節(jié)點。實際應(yīng)用中，節(jié)點數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。例如，當(dāng)使用Philips P82C250作為CAN收發(fā)器時，同一網(wǎng)絡(luò)中允許掛接 110個節(jié)點。CAN可提供高達1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤檢定特性也增 強了 CAN的抗電磁干擾能力。CAN是怎樣發(fā)展起來的？CAN最初出現(xiàn)在80年代末的汽車工業(yè)中，由德國Bosch公司最

4、先提出。當(dāng)時，由于消費者對于汽車功能的要求越來越多，而這些功能的實現(xiàn)大多是基于電子操作的，這就使得電子裝置之間的通訊越來越復(fù) 雜，同時意味著需要更多的連接信號線。提岀CAN總線的最初動機就是為了解決現(xiàn)代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通訊，減少不斷增加的信號線。于是，他們設(shè)計了一個單一的網(wǎng)絡(luò)總線，所有的外圍器件可 以被掛接在該總線上。1993年，CAN已成為國際標(biāo)準 £011898（高速應(yīng)用）和ISO11519 （低速應(yīng)用）。CAN是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測岀產(chǎn)生的任何錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達到10Km時，CAN仍可提供高達5

5、0Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于CAN總線具有很高的實時性能，因此， CAN已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、安全防護等 領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。CAN是怎樣工作的？CAN通訊協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式。CAN層的定義與開放系統(tǒng)互連模型（ OSI） 致。每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通訊。實際的通訊發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過模型物 理層的物理介質(zhì)互連。CAN的規(guī)范定義了模型的最下面兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。下表中展示了OSI開放式互連模型的各層。應(yīng)用層協(xié)議可以由CAN用戶定義成適合特別工業(yè)領(lǐng)域的任何方案。已在工業(yè)控制和制造業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的標(biāo)準是DeviceNet，這

6、是為PLC和智能傳感器設(shè)計的。在汽車工業(yè)，許多制造商都應(yīng)用他們自己的標(biāo)準。表1 OSI開放系統(tǒng)互連模型7應(yīng)用層最高層。用戶、軟件、網(wǎng)絡(luò)終端等之間用來進行信息交換。如：Device Net6表示層將兩個應(yīng)用不同數(shù)據(jù)格式的系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)化為能共同理解的格式5會話層依靠低層的通信功能來進行數(shù)據(jù)的有效傳遞。4傳輸層兩通訊節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸控制。操作如：數(shù)據(jù)重發(fā)，數(shù)據(jù)錯誤修復(fù)3網(wǎng)絡(luò)層規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)連接的建立、維持和拆除的協(xié)議。如：路由和尋址2數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了在介質(zhì)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的排列和組織。如：數(shù)據(jù)校驗和幀結(jié)構(gòu)1物理層規(guī)定通訊介質(zhì)的物理特性。如：電氣特性和信號交換的解釋CAN能夠使用多種物理介質(zhì)，例如雙絞線、光纖

7、等。最常用的就是雙絞線。信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為“ CAN_H”和“ CAN_L”，靜態(tài)時均是2.5V左右，此時狀態(tài)表示為邏輯“ 1 ”，也可以 叫做“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為“顯形”，此時，通常電壓值為：CAN_H = 3.5V 和 CAN_L = 1.5V。CAN有哪些特性？CAN具有十分優(yōu)越的特點，使人們樂于選擇。這些特性包括：低成本極高的總線利用率很遠的數(shù)據(jù)傳輸距離（長達10Km）高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達 1Mbit/s） 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

8、具有自動退岀總線的功能 報文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息什么是CSMA/CD ?CSMA/CD 是 載波偵聽多路訪問 /沖突檢測 ”（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect ）的 縮寫。利用CSMA訪問總線，可對總線上信號進行檢測，只有當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時，才允許發(fā)送。利用這種方法，可以允許多個節(jié)點掛接到同一網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)檢測到一個沖突位時，所有節(jié)點重新回到，監(jiān)聽？總線狀態(tài)，直到該沖突時間過后，才開始發(fā)送。在總線超載的情況下，這種技術(shù)可能會造成發(fā)送信號經(jīng)過許多延遲。為了避免發(fā)送時延，可利用CSMA/CD

9、方式訪問總線。當(dāng)總線上有兩個節(jié)點同時進行發(fā)送時，必須通過無損的逐位仲裁”方法來使有最高優(yōu)先權(quán)的的報文優(yōu)先發(fā)送。在CAN總線上發(fā)送的每一條報文都具有唯一的一個11位或29位數(shù)字的ID。CAN總線狀態(tài)取決于二進制數(shù),0?而不是,1?所以ID號越小，則該報文擁有 越高的優(yōu)先權(quán)。因此一個為全，0?標(biāo)志符的報文具有總線上的最高級優(yōu)先權(quán)?？捎昧硗獾姆椒▉斫忉專涸谙?息沖突的位置，第一個節(jié)點發(fā)送0而另外的節(jié)點發(fā)送1，那么發(fā)送0的節(jié)點將取得總線的控制權(quán)，并且能夠成功的發(fā)送出它的信息。CAN的高層協(xié)議CAN的高層協(xié)議(也可理解為應(yīng)用層協(xié)議)是一種在現(xiàn)有的底層協(xié)議(物理層和數(shù)據(jù)鏈路層)之上實 現(xiàn)的協(xié)議。高層協(xié)議是

10、在 CAN規(guī)范的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的應(yīng)用層。許多系統(tǒng)(像汽車工業(yè))中，可以特別制 定一個合適的應(yīng)用層，但對于許多的行業(yè)來說，這種方法是不經(jīng)濟的。一些組織已經(jīng)研究并開放了應(yīng)用層 標(biāo)準，以使系統(tǒng)的綜合應(yīng)用變得十分容易。一些可使用的CAN高層協(xié)議有：制定組織主要高層協(xié)議CiA CAL協(xié)議CiA CANOpen 協(xié)議ODVA DeviceNet 協(xié)議Honeywell SDS 協(xié)議Kvaser CANKingdom 協(xié)議什么是標(biāo)準格式 CAN和擴展格式CAN?標(biāo)準CAN的標(biāo)志符長度是11位，而擴展格式 CAN的標(biāo)志符長度可達29位。CAN協(xié)議的2.0A版本 規(guī)定CAN控制器必須有一個11位的標(biāo)志符。同時，

11、在2.0B版本中規(guī)定，CAN控制器的標(biāo)志符長度可以是 11位或29位。遵循CAN2.0B協(xié)議的CAN控制器可以發(fā)送和接收 11位標(biāo)識符的標(biāo)準格式報文或 29位標(biāo) 識符的擴展格式報文。如果禁止CAN2.0B,則CAN控制器只能發(fā)送和接收 11位標(biāo)識符的標(biāo)準格式報文，而忽略擴展格式的報文結(jié)構(gòu)，但不會岀現(xiàn)錯誤。BOSCH CAN 2.0 規(guī)范簡介:1983年，德國BOSCH開始研究新一代的汽車總線； 1986年，第一顆CAN-bus芯片交付應(yīng)用；1991年， 由德國BOSCH公司發(fā)布 CAN 2.0規(guī)范；1993年，國際標(biāo)準ISO11898正式出版；1995年，ISO11898 進行了擴展，從而能夠

12、支持 29位CAN標(biāo)識符。2000年，市場銷售超過1億個CAN器件。CAN 2.0B同時支持標(biāo)準的 CAN-bus的儀器之間建立CAN 2.0規(guī)范涉及兼容性CAN被細分為以下CAN 2.0規(guī)范分為 CAN 2.0A與CAN 2.0B。CAN 2.0A支持標(biāo)準的11位標(biāo)識符;11位標(biāo)識符和擴展的29位標(biāo)識符。CAN 2.0規(guī)范的目的是為了在任何兩個基于 兼容性；規(guī)范定義了傳輸層，并定義了CAN協(xié)議在周圍各層當(dāng)中所發(fā)揮的作用。的不同方面，比如電氣特性和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的解釋。為了達到設(shè)計透明度以及實現(xiàn)柔韌性， 不同的層次：CAN 對象層(the object layer )CAN 傳輸層(the tran

13、sfer layer )物理層(the phyical layer )對象層和傳輸層包括所有由ISO/OSI模型定義的數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)和功能。定義對象處理較為靈活。對象 層的作用范圍包括：查找被發(fā)送的報文。確定由實際要使用的傳輸層接收哪一個報文。為應(yīng)用層相關(guān)硬件提供接口。傳輸層的作用主要是傳送規(guī)則，也就是控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、岀錯標(biāo)定、故障界定?？偩€上 什么時候開始發(fā)送新報文及什么時候開始接收報文，均在傳輸層里確定。位定時的一些普通功能也可以看 作是傳輸層的一部分。理所當(dāng)然，傳輸層的修改是受到限制的。物理層的作用是在不同節(jié)點之間根據(jù)所有的電氣屬性進行位信息的實際傳輸。當(dāng)然，同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，物理層對于所有的節(jié)點必須是相同的。盡管如此，在選擇物理層方面還是很自由的。作為通用、有效、可靠及經(jīng)濟的平臺，CAN-bus已經(jīng)廣泛地受到了歡迎。它可以使用于汽車系統(tǒng)、機械、技術(shù)設(shè)備和工業(yè)自動化里幾乎任何類型的數(shù)據(jù)通信。CA