汽車CAN總線基礎(chǔ)知識

1、CAN總線協(xié)議 控制器局域網(wǎng)總線（CAN，Controller Area Network）是一種用于實(shí)時應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN協(xié)議用于汽車中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束。該協(xié)議的健壯性使其用途延伸到其他自動化和工業(yè)應(yīng)用。CAN協(xié)議的特性包括完整性的串行數(shù)據(jù)通訊、提供實(shí)時支持、傳輸速率高達(dá)1Mb/s、同時具有11位的尋址以及檢錯能力。CAN總線發(fā)展 控制器局域網(wǎng)CAN( Controller Area Network)屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。是由德國博世公司在20

2、世紀(jì)80年代專門為汽車行業(yè)開發(fā)的一種串行通信總線。而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達(dá)到10km時，CAN仍可提供高達(dá)50kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN總線的工作原理 CAN總線使用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運(yùn)行，也可以使用光纜連接，而且在這種總線上總線協(xié)議支持多主控制器。1CAN及I2C總線的許多細(xì)節(jié)很類似，但也有一些明顯的區(qū)別。當(dāng)CAN總線上的一個節(jié)點(diǎn)(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(diǎn)。對每個節(jié)點(diǎn)來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對其進(jìn)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

3、。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(zhǔn)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)出，這時網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的站對接收到的報文進(jìn)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(zhǔn)的控制系統(tǒng)并靈活地進(jìn)行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進(jìn)一些新站而無需在硬件或軟件上進(jìn)行修改。當(dāng)所

4、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(dú)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(dú)立的傳感器。 CAN總線在空閑（沒有節(jié)點(diǎn)傳輸報文）時是一直處于隱性狀態(tài)。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)傳輸報文時顯性覆蓋隱性，由于CAN總線是一種串行總線，也就是說報文是一位一位的傳輸?shù)?，而且是?shù)字信號（0和1），1代表隱性，0代表顯性。在傳送報文的過程中是顯隱交替的，就像二進(jìn)制數(shù)字0101001等，這樣就能把信息發(fā)送出去，而總線空閑的時候是一直處于隱性的。CAN總線特征 (1)報文(Message)總線上的數(shù)據(jù)以不同報文格式發(fā)送，但長度受到限制。當(dāng)總

5、線空閑時，任何一個網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送報文。 (2)信息路由(Information Routing)在CAN中，節(jié)點(diǎn)不使用任何關(guān)于系統(tǒng)配置的報文，比如站地址，由接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)報文本身特征判斷是否接收這幀信息。因此系統(tǒng)擴(kuò)展時，不用對應(yīng)用層以及任何節(jié)點(diǎn)的軟件和硬件作改變，可以直接在CAN中增加節(jié)點(diǎn)。(3)標(biāo)識符(Identifier) 要傳送的報文有特征標(biāo)識符(是數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的一個域)，它給出的不是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址，而是這個報文本身的特征。信息以廣播方式在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送，所有節(jié)點(diǎn)都可以接收到。節(jié)點(diǎn)通過標(biāo)識符判定是否接收這幀信息。(4)數(shù)據(jù)一致性應(yīng)確保報文在CAN里同時被所有節(jié)點(diǎn)接收或同時不接收，這是配

6、合錯誤處理和再同步功能實(shí)現(xiàn)的。(5)位傳輸速率不同的CAN系統(tǒng)速度不同，但在一個給定的系統(tǒng)里，位傳輸速率是唯一的，并且是固定的。 (6)優(yōu)先權(quán) 由發(fā)送數(shù)據(jù)的報文中的標(biāo)識符決定報文占用總線的優(yōu)先權(quán)。標(biāo)識符越小，優(yōu)先權(quán)越高。(7)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求(Remote Data Request) 通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)請求另一節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)?；貞?yīng)節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)幀及請求數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程幀由相同的標(biāo)識符命名。 (8)仲裁(Arbitration) 只要總線空閑，任何節(jié)點(diǎn)都可以向總線發(fā)送報文。如果有兩個或兩個以上的節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送報文，就會引起總線訪問碰撞。通過使用標(biāo)識符的逐位仲裁可以解決這個碰撞。仲裁的機(jī)制確保

7、了報文和時間均不損失。當(dāng)具有相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時發(fā)送時，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀。在仲裁期間，每一個發(fā)送器都對發(fā)送位的電平及被監(jiān)控的總線電平進(jìn)行比較。如果電平相同，則這個單元可以繼續(xù)發(fā)送，如果發(fā)送的是“隱性”電平而監(jiān)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(fā)送狀態(tài)。(9)總線狀態(tài) 總線有“顯性”和“隱性”兩個狀態(tài)，“顯性”對應(yīng)邏輯“0”，“隱性”對應(yīng)邏輯“1”?！帮@性”狀態(tài)和“隱性”狀態(tài)及為“顯性”狀態(tài)，所以兩個節(jié)點(diǎn)同時分別發(fā)送“0”和“1”時，總線上呈現(xiàn)“0”。CAN總線采用二進(jìn)制不歸零(NRZ)編碼方式，所以總線上不是“0”，就是“1”。但是CAN協(xié)議并沒有具體定義這兩

8、種狀態(tài)的具體實(shí)現(xiàn)方式。 (10)故障界定(Confinement) CAN節(jié)點(diǎn)能區(qū)分瞬時擾動引起的故障和永久性故障。故障節(jié)點(diǎn)會被關(guān)閉。 (11)應(yīng)答接收節(jié)點(diǎn)對正確接收的報文給出應(yīng)答，對不一致報文進(jìn)行標(biāo)記。 (12)CAN通訊距離最大是10公里（設(shè)速率為5Kbps）,或最大通信速率為1Mbps(設(shè)通信距離為40米)。(13)CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個。通信介質(zhì)可在雙絞線，同軸電纜，光纖中選擇。(14)報文是短幀結(jié)構(gòu)，短的傳送時間使其受干擾概率低，CAN有很好的校驗(yàn)機(jī)制，這些都保證了CAN通信的可靠性。CAN總線的特點(diǎn) （1）具有實(shí)時性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)； （2）采用雙線串行通信方式，檢錯能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作； （3）具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN 控制器掛到CAN-bus 上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)；