CAN總線活動講座十：CAN總線基礎掃盲講座

1、CAN總線作為一種工業(yè)界的流行總線廣泛應于工業(yè)自動化、多種控制設備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等各個行業(yè)中，它是是一種多主機局域網(wǎng)，所以這樣一種總線的潛力是很巨大的，接下來將寫兒篇入門的小文章，來介紹一下CAN的學習和開發(fā)方法，主要是配合我們的開發(fā)板，其實入門還是很容易的，通過這兒篇文章如果你能建立起一個初步的概念，能夠自己搭起自己的一個節(jié)點（包括硬件和軟件），那就說明你學會了 CAN的基本開發(fā)技術，實際的工業(yè)現(xiàn)場 CAN的開發(fā)不是那么簡單，包括很多要考慮的因素如隔離、可靠性等，但是我們 作為初學者建立起基本的概念還是很重要的，基礎一旦打好，等到了實際匸作中, 就會如魚得水，所以希望

2、正要或是想開發(fā)CAN的朋友們能夠喜歡這一系列小文 章，如果某一篇甚至是某一句話能夠給你帶來啟迪，那將是我最最高興的，希望 大家踴躍評論或是參與討論，給我一下寫下去的信心，呵呵，可以加入我們的群。 下面正題正式開始嘍！第一篇，當然要介紹一下什么是“能”總線（CAN總線）呵呵燈水平詢整裝置/燈r-ljl3-S8MSS儀1S5J0000天窗-or>wi-oUN CANFierf?ov圖1汽車中的CAN “身影”一. 什么是CAN ?CAN,全稱為"Controller Area Networkv ,即控制器局域網(wǎng)，是 國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初，CAN被設計作為汽車環(huán)境中的

3、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。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總線構成的單一網(wǎng)絡中，理論上可以掛接無數(shù)個節(jié)點。實際應用中，節(jié)點數(shù)受網(wǎng)絡硬件的電氣特性所限制。例如，當使用PhilipsP82C250作為CAN收發(fā)器時，同一網(wǎng)絡中允許掛接110個節(jié)點。CAN可提供高達IMbit/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.二、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，山德國Bosch公司最先提 出。當時

4、，山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雜，同時意味著需要更 多的連接信號線。提出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，他們設計了一個單一的網(wǎng) 絡總線，所有的外圉器件可以被掛接在該總線上。1993年，CAN已成為國際標 準IS011898（高速應用）和IS0U519 （低速應用）。CAN是一種多主方式的串行通訊總線，基本設汁規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10KmW，CAN仍可提供高達50Kbit/s的數(shù)

5、據(jù)傳輸速率。 由于CAN總線具有很高的實時性能，因此，CAY已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、安全防護等領域中得到了廣泛應用三、CAN簡介德國Bosch公司為解決現(xiàn)代車輛中眾多的控制和數(shù)據(jù)交換問題,開發(fā)出一種CAN （Controller Area Network）現(xiàn)場總線通信結構。CAN總線硬件連接簡單，有良好的可鼎性、實時性和性能價格比。CAN總線能夠滿足現(xiàn)代自動化通信的需要，已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線通信領域中最為活躍的一支。其主要特點是： CAN總線為多主站總線，各節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信 息，不分主從，通信靈活；CAN總線采用獨特的非破壞性總線仲裁技術，優(yōu) 先級高的節(jié)

6、點優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，能滿足實時性要求：CAN總線具有點對點、一 點對多點及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能；CAN總線上每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8 個，并有CRC及其他校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率極低，萬一某一節(jié)點出現(xiàn)嚴重錯誤， 可自動脫離總線，總線上的其他操作不受影響：CAN總線只有兩根導線，系 統(tǒng)擴充時，可直接將新節(jié)點掛在總線上即可，因此走線少，系統(tǒng)擴充容易，改型 靈活；CAN總線傳輸速度快，在傳輸距離小于40 m時，最大傳輸速率可達1 Mb/s；CAN總線上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅動電路，在CAX2. 0B標準中，其 報文標識符兒乎不受限制?？傊?CAN總線具有實時性強、可幕性高、通信速率 快、結構簡單、互操作性

7、好、總線協(xié)議具有完善的錯誤處理機制、靈活性高和價 格低廉等特點。四、CAN總線是怎樣工作的？CAN通訊協(xié)議主要描述設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) 一致。每一層與另一設備上相同的那一層通訊。實際的 通訊發(fā)生在每一設備上相鄰的兩層，而設備只通過模型物理層的物理介質互連。 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。應用層協(xié)議可以III CAN用戶定義成適合特別工業(yè)領域的任何方案。已在工業(yè)控制和制造業(yè)領域得到廣泛應用的標準是DeviceNet,這是 為PLC和智能傳感器設計的。在汽車工業(yè)，許多制造商都應用他

8、們自己的標準。7應用層最高層。用戶、軟件、網(wǎng)絡終端等之間用來進行信息交換。如：DeviceNet6表示層將兩個應用不同數(shù)據(jù)格式的系統(tǒng)信息轉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3網(wǎng)絡層規(guī)定了網(wǎng)絡連接的建立、維持和拆除的協(xié)議。如：路山和尋址2數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了在介質上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的排列和組織。如：數(shù)據(jù)校驗和幀結構1物理層規(guī)定通訊介質的物理特性。如：電氣特性和信號交換的解釋表1 OSI開放系統(tǒng)互連模型CAN能夠使用多種物理介質，例如雙絞線、光纖等。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

9、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“1J也可以叫做“隱性” o用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為“顯形”，此時，通常電圧值為：CAN_H = 3. 5V和CAN_L=1. 5Vo五、CAN有哪些特性？CAN具有十分優(yōu)越的特點，使人們樂于選擇。想了想，不想向教科書 那樣羅嗦很多，就簡單概括，也許有些你還不能立刻懂，不過你只要有個印象就 行，一些知識直到你用到的時候你才會真正領會！這些特性包括：1、低成本； 2、極高的總線利用率；3、很遠的數(shù)據(jù)傳輸距離（長達10Km） ；4、高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達1 Mbit/s） ； 5、可根據(jù)報文的I

10、D決定接收或屏蔽該報文；6、可靠的錯誤處理和檢錯機制；7、發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；8、節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能；9、報文不包含源地址或LI標地址，僅用標志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。六、Philips制造的CAN芯片有哪些?類別型號備注CAN微控制器P87C591替代 P87C592CAN獨立控制器SJA1000替代82C200CAN收發(fā)器PCA82C250高速CAN收發(fā)器PCA82C251高速CAN收發(fā)器PCA82C252容錯CAN收發(fā)器TJA1040高速CAN收發(fā)器TJA1041高速CAN收發(fā)器TJA1050高速CAN收發(fā)器TJA1O53容錯CAN收發(fā)器TJ

11、A1O54容錯CAN收發(fā)器LIN收發(fā)器TJA1020LIN收發(fā)器表2 CAN芯片一覽表七、CAN總線如何進行位仲裁？CSMA/CD是"載波偵聽多路訪問/沖突檢測” (Carrier Sense MultipleAccess 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)絡上。當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，

12、可利用CSMA/CD方式訪問總線。當總線上有兩個節(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IDo 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。因此一個 為全0'標志符的報文具有總線上的最高級優(yōu)先權?？捎昧硗獾姆椒▉斫忉專?在消息沖突的位置，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，并且能夠成功的發(fā)送出它的信息。八、CAN的高層協(xié)議CAN的高層協(xié)議（也可理解為應用層協(xié)議）是一種

13、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)議是在CAN規(guī)范的基礎上發(fā)展起來 的應用層。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)研究并開放了應用層標 準，以使系統(tǒng)的綜合應用變得十分容易。一些可使用的CAN高層協(xié)議有：1、制定組織主要高層協(xié)議2>CiA CAL協(xié)議3 s Ci A CANOpen協(xié)議 4、ODVA DeviceNet 協(xié)議 5、Honeywell SDS 協(xié)議 6、Kvaser CANKingdom 協(xié)議九、什么是標準格式CAN和擴展格式CAN?標準CAN的標志符長度是11位，而擴展格式CAN的標志符長度可達29位。CAN協(xié)議的2. 0A版本規(guī)定CAN控制器必須有一個11位的標志符。同時，在 2. 0B版本中規(guī)定，CAN控制器的標志符長度可以是11位