CAN總線(xiàn)知多少？

　　基本概念

　　CAN 是Controller Area Network 的縮寫(xiě)(以下稱(chēng)為CAN)，是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議，形成并通過(guò)ISO11898 及ISO11519標準認證。在歐洲已是汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )的標準協(xié)議。

　　CAN 的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫療設備、工業(yè)設備等方面。它的出現為分布式控制系統實(shí)現各節點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數據通信提供了強有力的技術(shù)支持。

　　優(yōu)勢

• 　　CAN屬于現場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。較之許多RS-485基于R線(xiàn)構建的分布式控制系統而言，基于CAN總線(xiàn)的分布式控制系統在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：
• 　　網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)之間的數據通信速率高、實(shí)時(shí)性強
• 　　縮短了開(kāi)發(fā)周期
• 　　已形成國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)

　　特點(diǎn)

　　CAN總線(xiàn)是德國B(niǎo)OSCH公司從80年代初為解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議，它是一種多主總線(xiàn)，通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光導纖維。通信速率最高可達1Mbps。

　　1、完成對通信數據的成幀處理

　　CAN總線(xiàn)通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。

　　2、使網(wǎng)絡(luò )內的節點(diǎn)個(gè)數在理論上不受限制

　　CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò )內的節點(diǎn)個(gè)數在理論上不受限制，數據塊的標識符可由11位或29位二進(jìn)制數組成，因此可以定義2或2個(gè)以上不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數據，這一點(diǎn)在分布式控制系統中非常有用。數據段長(cháng)度最多為8個(gè)字節，可滿(mǎn)足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數據的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節不會(huì )占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(cháng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業(yè)過(guò)程監控設備的互連，因此，越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。

　　3、可在各節點(diǎn)之間實(shí)現自由通信

　　CAN總線(xiàn)采用了多主競爭式總線(xiàn)結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線(xiàn)以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線(xiàn)上任意節點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )上其它節點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節點(diǎn)之間實(shí)現自由通信。CAN總線(xiàn)協(xié)議已被國際標準化組織認證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性?xún)r(jià)比高，特別適用于分布式測控系統之間的數通訊。CAN總線(xiàn)插卡可以任意插在PC AT XT兼容機上，方便地構成分布式監控系統。

　　4、結構簡(jiǎn)單

　　只有2根線(xiàn)與外部相連，并且內部集成了錯誤探測和管理模塊。

　　5、傳輸距離和速率

　　CAN總線(xiàn)特點(diǎn)：(1) 數據通信沒(méi)有主從之分，任意一個(gè)節點(diǎn)可以向任何其他(一個(gè)或多個(gè))節點(diǎn)發(fā)起數據通信，靠各個(gè)節點(diǎn)信息優(yōu)先級先后順序來(lái)決定通信次序，高優(yōu)先級節點(diǎn)信息在134μs通信; (2) 多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)發(fā)起通信時(shí)，優(yōu)先級低的避讓優(yōu)先級高的，不會(huì )對通信線(xiàn)路造成擁塞; (3) 通信距離最遠可達10KM(速率低于5Kbps)速率可達到1Mbps(通信距離小于40M);(4) CAN總線(xiàn)傳輸介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)，同軸電纜。CAN總線(xiàn)適用于大數據量短距離通信或者長(cháng)距離小數據量，實(shí)時(shí)性要求比較高，多主多從或者各個(gè)節點(diǎn)平等的現場(chǎng)中使用。

　　技術(shù)介紹

　　1、位仲裁

　　要對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，就必須將數據快速傳送，這就要求數據的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個(gè)站同時(shí)需要發(fā)送數據時(shí)，要求快速地進(jìn)行總線(xiàn)分配。實(shí)時(shí)處理通過(guò)網(wǎng)絡(luò )交換的緊急數據有較大的不同。一個(gè)快速變化的物理量，如汽車(chē)引擎負載，將比類(lèi)似汽車(chē)引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數據并要求更短的延時(shí)。

　　CAN總線(xiàn)以報文為單位進(jìn)行數據傳送，報文的優(yōu)先級結合在11位標識符中，具有最低二進(jìn)制數的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統設計時(shí)被確立后就不能再被更改?？偩€(xiàn)讀取中的沖突可通過(guò)位仲裁解決。如圖2所示，當幾個(gè)站同時(shí)發(fā)送報文時(shí)，站1的報文標識符為011111;站2的報文標識符為0100110;站3的報文標識符為0100111。所有標識符都有相同的兩位01，直到第3位進(jìn)行比較時(shí)，站1的報文被丟掉，因為它的第3位為高，而其它兩個(gè)站的報文第3位為低。站2和站3報文的4、5、6位相同，直到第7位時(shí)，站3的報文才被丟失。注意，總線(xiàn)中的信號持續跟蹤最后獲得總線(xiàn)讀取權的站的報文。在此例中，站2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在網(wǎng)絡(luò )最終確定哪一個(gè)站的報文被傳送以前，報文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò )上傳送了。所有未獲得總線(xiàn)讀取權的站都成為具有最高優(yōu)先權報文的接收站，并且不會(huì )在總線(xiàn)再次空閑前發(fā)送報文。

　　CAN具有較高的效率是因為總線(xiàn)僅僅被那些請求總線(xiàn)懸而未決的站利用，這些請求是根據報文在整個(gè)系統中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡(luò )負載較重時(shí)有很多優(yōu)點(diǎn)，因為總線(xiàn)讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個(gè)報文中了，這可以保證在實(shí)時(shí)系統中較低的個(gè)體隱伏時(shí)間。

　　對于主站的可靠性，由于CAN協(xié)議執行非集中化總線(xiàn)控制,所有主要通信，包括總線(xiàn)讀取 (許可)控制，在系統中分幾次完成。這是實(shí)現有較高可靠性的通信系統的唯一方法。

　　2、CAN的報文格式

　　在總線(xiàn)中傳送的報文，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報文格式，其唯一的不同是標識符(ID)長(cháng)度不同，標準格式為11位，擴展格式為29位。

　　在標準格式中，報文的起始位稱(chēng)為幀起始(SOF)，然后是由11位標識符和遠程發(fā)送請求位 (RTR)組成的仲裁場(chǎng)。RTR位標明是數據幀還是請求幀，在請求幀中沒(méi)有數據字節。

　　控制場(chǎng)包括標識符擴展位(IDE)，指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個(gè)保留位 (ro)，為將來(lái)擴展使用。它的最后四個(gè)位用來(lái)指明數據場(chǎng)中數據的長(cháng)度(DLC)。數據場(chǎng)范圍為0～8個(gè)字節,其后有一個(gè)檢測數據錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC)。

　　應答場(chǎng)(ACK)包括應答位和應答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平(邏輯1)，這時(shí)正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò )中至少有一個(gè)站能正確接收到報文。

　　報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位，如果這時(shí)沒(méi)有站進(jìn)行總線(xiàn)存取，總線(xiàn)將處于空閑狀態(tài)。

　　3、CAN數據幀的組成

　　>> 遠程幀

　　遠程幀由6個(gè)場(chǎng)組成：幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應答場(chǎng)和幀結束。遠程幀不存在數據場(chǎng)。遠程幀的RTR位必須是隱位。DLC的數據值是獨立的，它可以是0～8中的任何數值，為對應數據幀的數據長(cháng)度。

　　>> 錯誤幀

• 　　錯誤幀由兩個(gè)不同場(chǎng)組成，第一個(gè)場(chǎng)由來(lái)自各站的錯誤標志疊加得到，第二個(gè)場(chǎng)是錯誤界定符錯誤標志具有兩種形式：活動(dòng)錯誤標志(Active error flag)，由6個(gè)連續的顯位組成
• 　　認可錯誤標志(Passive error flag)，由6個(gè)連續的隱位組成錯誤界定符包括8個(gè)隱位

　　>> 超載幀

　　超載幀包括兩個(gè)位場(chǎng)：超載標志和超載界定符。

　　>> 數據錯誤檢測

　　不同于其它總線(xiàn)，CAN協(xié)議不能使用應答信息。事實(shí)上，它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯誤的方法，其中前三種為基于報文內容檢查。一種檢查錯誤的方法分別為：循環(huán)冗余檢查(CRC)、幀檢查、應答錯誤、總線(xiàn)檢測、位填充。