CAN總線(xiàn)通信原理分析

摘要：介紹了控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)(CAN總線(xiàn))的應用特性以及將其應用于具體的工程項目時(shí)CAN總線(xiàn)系統的分層結構及各層的主要功能?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/CAN">CAN總線(xiàn)系統結構構成，通過(guò)工程實(shí)踐的具體應用以及對CAN控制器及收發(fā)器硬件結構的深入理解，并從通信的角度出發(fā)著(zhù)重深入分析了CAN總線(xiàn)通信的節點(diǎn)同步機制、總線(xiàn)地址機制、總線(xiàn)仲裁機制(即總線(xiàn)的沖突解決機制)以及總線(xiàn)魯棒性的實(shí)現原理。

關(guān)鍵詞：控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)；同步機制；地址機制；仲裁機制；魯棒性實(shí)現

CAN(Controller Area Network)總線(xiàn)，即控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)，在工業(yè)控制、醫療電子、家用電器及傳感器領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。目前國內外文獻中針對CAN總線(xiàn)協(xié)議分析的文章主要是針對CAN協(xié)議的幀結構以或位時(shí)序特性進(jìn)行分析，如文獻鮮有從通信的角度對CAN總線(xiàn)協(xié)議進(jìn)行分析，鮮有從工程應用的角度出發(fā)，對CAN總線(xiàn)的通信機制進(jìn)行深入分析的文章。

1 CAN應用特性及結構構成

CAN總線(xiàn)協(xié)議具有兩個(gè)國際標準，分別是ISO11898和ISO11519。其中，IS011898是通信速率為125 kbps～1 Mbps的高速CAN通信標準，屬于閉環(huán)總線(xiàn)，總線(xiàn)最大長(cháng)度為40 m／1 Mbps。ISO11519定義了通信速率為10～125 kbps的低速CAN通信標準，屬于開(kāi)環(huán)總線(xiàn)，最大長(cháng)度為1 km／40 kbps。由于電氣特性限制，即總線(xiàn)分布電容和分布電阻對總線(xiàn)波形的影響，CAN總線(xiàn)上最大節點(diǎn)數目為110個(gè)。對于應用工程師，只需正確配置收發(fā)端的波特率和位參數即可實(shí)現收發(fā)節點(diǎn)的數據同步。通過(guò)CAN控制器硬件對報文的標示符濾波即可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數據。同時(shí)，由于CAN報文采用短幀結構，并且每幀均包含CRC校驗部分，保證了數據出錯率極低。CAN總線(xiàn)在工程應用中結構構成如圖1所示。

系統實(shí)現中的CAN應用層、操作系統(在無(wú)操作系統的應用中以后臺程序實(shí)現)及驅動(dòng)程序共同實(shí)現了ISO參考模型中的應用層功能。其中，CAN應用層定義ID分組、發(fā)送數據裝包、接收數據處理以及應用層總線(xiàn)安全監測；操作系統／后臺程序用于在CAN中斷到達后調度CAN驅動(dòng)程序對數據進(jìn)行處理；驅動(dòng)程序包括初始化(控制器工作狀態(tài)設置、波特率設置、驗收濾波器配置)、收發(fā)驅動(dòng)及異常處理程序。

對于傳輸介質(zhì)層，需要根據環(huán)境干擾噪聲、總線(xiàn)長(cháng)度等來(lái)確定。在強干擾噪聲的情況下必須采用屏蔽線(xiàn)；由于分布電容造成的總線(xiàn)波形失真及分布電阻造成的總線(xiàn)電平的衰減，總線(xiàn)長(cháng)度需要考慮采用的傳輸介質(zhì)的分布電阻和分布電容特性；同時(shí)，若采用高速總線(xiàn)還需通過(guò)實(shí)驗確定總線(xiàn)的匹配電阻值。

對于CAN控制器的實(shí)現，可以選用集成于系統主控芯片的CAN控制器實(shí)現，如恩智浦公司出品的LPC2000系列的微控制器，或者也可以選用分立元件的CAN控制器，如SJA1000。對于CAN收發(fā)器的實(shí)現，可以選用CTM1050、TJA1050等。若環(huán)境干擾噪聲較大，則需在控制器和收發(fā)器之間添加隔離芯片或采用集成了隔離功能的CAN收發(fā)器。值得一提的是，恩智浦公司新推出的LPC11C24微控制器芯片中不僅集成了CAN控制器，同時(shí)集成了CAN收發(fā)器功能，對于CAN總線(xiàn)系統的快速開(kāi)發(fā)提供了良好的支持。另外，根據實(shí)際應用的總線(xiàn)長(cháng)度及總線(xiàn)上的節點(diǎn)數目，還需考慮收發(fā)器芯片的發(fā)送和接收的延遲時(shí)間。

對于CAN驅動(dòng)層和應用層，驅動(dòng)程序包括CAN初始化(包括硬件使能、波特率設置、控制器工作模式設置及驗收濾波器ID表配置)、收／發(fā)驅動(dòng)并向上層提供接口函數，其中需要說(shuō)明的是驗收濾波器的ID表配置需要根據應用層對系統ID的分組來(lái)進(jìn)行；CAN應用層根據總線(xiàn)上各節點(diǎn)之間的數據收發(fā)關(guān)系進(jìn)行數據包的ID分組、發(fā)送數據裝包、接收數據處理及應用層總線(xiàn)安全監測等。另外，常用的CAN總線(xiàn)上層協(xié)議主要有CANOpen、DeviceNet以及iCAN等。

2 CAN總線(xiàn)同步機制分析

在進(jìn)行通信過(guò)程中，需要解決的最重要的問(wèn)題之一就是如何實(shí)現收發(fā)端數據的同步，即接收端可以正確接收和解析發(fā)送端發(fā)送的數據。CAN總線(xiàn)協(xié)議是一種異步串行通信協(xié)議，屬于基帶通信，其同步的實(shí)現源于高級數據鏈路控制協(xié)議(HDLC)。具體來(lái)說(shuō)，CAN總線(xiàn)協(xié)議的同步是通過(guò)如下所述的3個(gè)方面來(lái)實(shí)現的。

2．1 參數設定

通信雙方通過(guò)軟件設置相同的波特率、相同的相位調整段長(cháng)度、相同的同步跳轉寬度，通過(guò)以上3個(gè)元素設置，定義了CAN總線(xiàn)傳輸過(guò)程中的位時(shí)間長(cháng)度以及采樣點(diǎn)位置，位結構如圖2所示，圖中的CAN時(shí)鐘即是協(xié)議中定義的TQ時(shí)間，該時(shí)鐘是通過(guò)外部時(shí)鐘或者CPU外設時(shí)鐘分頻后得到的CAN控制器的基本時(shí)鐘信號，SS段對應于起始段，總線(xiàn)上的跳變沿應發(fā)生在此段時(shí)間內，TESG1對應于傳輸段和相位調整段1，TESG2對應于相位調整段2，對于高速總線(xiàn)，控制器在TESG1和TESG2之間對總線(xiàn)進(jìn)行采樣判別。

2．2 固定的幀結構

CAN協(xié)議中明確定義的固定的幀結構，便于CAN控制器和收發(fā)器對總線(xiàn)狀態(tài)進(jìn)行監測，在CAN2．0協(xié)議規范中，分為標準幀和擴展幀兩種幀結構，兩者區別只在于仲裁域，標準幀采用11位標識符，而擴展幀有29位標識符，具體的標準幀、擴展幀幀結構如表1、表2所示。

2．3 硬同步和再同步

2．3．1 硬同步

所謂硬同步就是指在總線(xiàn)空閑期間(即總線(xiàn)電平表現為連續的隱性位)，控制器一旦檢測到從隱性電平到顯性電平的跳變，就說(shuō)明此時(shí)總線(xiàn)上有站點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送數據，則強制CAN控制器的位狀態(tài)計數器同步到圖2所示的SS段，同時(shí)位時(shí)鐘從此開(kāi)始重新計數(CAN位時(shí)間由上層軟件設定)。硬同步用于幀的起始判定。

2．3．2 再同步

在CAN總線(xiàn)協(xié)議中，再同步是基于位填充機制實(shí)現的。與HDLC協(xié)議類(lèi)似，在CAN的幀結構中，從幀起始到CRC序列位為止，一旦檢測到5個(gè)連續相同極性的位，CAN控制器自動(dòng)插入一個(gè)極性相反的位。再同步就是在數據傳輸過(guò)程中，CAN控制器通過(guò)檢測總線(xiàn)上的跳變沿與節點(diǎn)內部位時(shí)間的差異來(lái)調整相位調整段1和相位調整段2，調整大小是由同步跳轉寬度編程設定的，調整大小單位為T(mén)Q。具體調整規則是，在傳輸過(guò)程中，由CAN控制器檢測到的總線(xiàn)上的跳變沿如果位于節點(diǎn)內部的SS位時(shí)間段內，則不需要調整；若跳變沿位于TESG1段，說(shuō)明總線(xiàn)上的位時(shí)間相對于節點(diǎn)的位時(shí)間有延遲，則CAN控制器延長(cháng)節點(diǎn)的TESG1位時(shí)間段，若延遲時(shí)間值(T0值)大于同步跳轉寬度，延長(cháng)時(shí)間為同步跳轉寬度值，否則節點(diǎn)的CAN控制器延長(cháng)其與總線(xiàn)位時(shí)間的差值；若跳變沿位于TESG2段，說(shuō)明總線(xiàn)上的位時(shí)間相對于節點(diǎn)的位時(shí)間有超前，則CAN控制器減少節點(diǎn)的TESG2位時(shí)間段，具體調整規則與TESG1段的調整規則相似。

3 CAN總線(xiàn)地址機制分析

不同于工業(yè)以太網(wǎng)、RS485等總線(xiàn)，CAN總線(xiàn)是通過(guò)數據包ID而非節點(diǎn)地址來(lái)收發(fā)數據的，即CAN總線(xiàn)上的節點(diǎn)沒(méi)有固定的地址，取而代之的是每個(gè)節點(diǎn)都需要通過(guò)軟件配置一個(gè)ID表(在該節點(diǎn)的驗收濾波器單元中)，如果總線(xiàn)上的數據包的ID號在該節點(diǎn)的ID表中存在，則數據包成功通過(guò)該節點(diǎn)的驗收濾波器單元的驗收，并將被送到上層軟件處理單元并進(jìn)行相應的數據處理，否則，該數據包被丟棄。舉例來(lái)說(shuō)，若總線(xiàn)上的節點(diǎn)A想發(fā)送數據包到節點(diǎn)B，則該數據包的ID號必須位于節點(diǎn)B的ID表中，同理，若節點(diǎn)A想廣播數據包到總線(xiàn)上，則該數據包的ID號必須位于總線(xiàn)上所有其它節點(diǎn)的ID表中。如前所述，ID表是通過(guò)軟件進(jìn)行配置的，但驗收濾波功能卻是通過(guò)CAN控制器中的驗收濾波器這個(gè)硬件單元進(jìn)行的，所以從速度上來(lái)說(shuō)，驗收造成的延遲很小。另外，采用這種地址機制的優(yōu)點(diǎn)還在于是采用此總線(xiàn)的系統具有很高的靈活性，即新加入或刪除的節點(diǎn)不會(huì )影響系統原有節點(diǎn)間的通信。

下面將以恩智浦公司的LPC2478芯片集成的CAN控制器為例，具體說(shuō)明CAN總線(xiàn)系統的地址配置方法。如圖3所示，首先根據總線(xiàn)上所需傳輸的數據包進(jìn)行分類(lèi)，即對數據包ID和相應的節點(diǎn)進(jìn)行規劃，例如在我們的系統中主要有如下幾類(lèi)數據包：查詢(xún)數據包、控制命令數據包(包括動(dòng)作和參數數據包)、報警數據包及反饋參數數據包，對應的節點(diǎn)特性是查詢(xún)數據包和控制命令數據包主要是主站發(fā)送給各從站單元，而報警數據包和反饋參數數據包主要由從站各節點(diǎn)單元發(fā)送給主站單元節點(diǎn)。然后，根據ID分類(lèi)情況配置各節點(diǎn)的驗收濾波器單元，具體的配置方法是：首先根據節點(diǎn)特點(diǎn)配置相應的驗收濾波器工作模式：關(guān)閉模式(不接收總線(xiàn)報文)、旁路模式(接收總線(xiàn)上所有的報文)和正常工作模式(硬件濾波)。若配置為正常工作模式時(shí)，接著(zhù)就需配置相應的驗收濾波器表(ID表)，即將該節點(diǎn)需要接收的數據包ID號的填充到該節點(diǎn)控制器相應的ID表區域中，而這樣就完成了CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的地址分配工作。一般而言，ID表分為如下4個(gè)區域：明確的標準幀標識符區、標準幀組格式標識符區、明確的擴展幀格式標識符區以及擴展幀組格式標識符區。其中，明確格式是單個(gè)獨立的ID標識符，而組格式區時(shí)連續編號的ID標識符。