汽車(chē)CAN總線(xiàn)詳解

CAN（Controller Area Network）總線(xiàn)協(xié)議是由 BOSCH 發(fā)明的一種基于消息廣播模式的串行通信總線(xiàn)，它起初用于實(shí)現汽車(chē)內ECU之間可靠的通信，后因其簡(jiǎn)單實(shí)用可靠等特點(diǎn)，而廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫療等其它領(lǐng)域。相比于其它網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型，如局域網(wǎng)（LAN, Local Area Network）、廣域網(wǎng)（WAN, Wide Area Network）和個(gè)人網(wǎng)（PAN, Personal Area Network）等，CAN 更加適合應用于現場(chǎng)控制領(lǐng)域，因此得名。

CAN總線(xiàn)是一種多主控（Multi-Master）的總線(xiàn)系統，它不同于USB或以太網(wǎng)等傳統總線(xiàn)系統是在總線(xiàn)控制器的協(xié)調下，實(shí)現A節點(diǎn)到B節點(diǎn)大量數據的傳輸，CAN網(wǎng)絡(luò )的消息是廣播式的，亦即在同一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò )上所有節點(diǎn)偵測的數據是一致的，因此比較適合傳輸諸如控制、溫度、轉速等短消息。

CAN起初由BOSCH提出，后經(jīng)ISO組織確認為國際標準，根據特性差異又分不同子標準。CAN國際標準只涉及到 OSI（開(kāi)放式通信系統參考模型 ）的物理層和數據鏈路層。上層協(xié)議是在CAN標準基礎上定義的應用層，市場(chǎng)上有不同的應用層標準。

發(fā)展歷史

• 1983年，BOSCH開(kāi)始著(zhù)手開(kāi)發(fā)CAN總線(xiàn)；

• 1986年，在SAE會(huì )議上，CAN總線(xiàn)正式發(fā)布;

• 1987年，Intel和Philips推出第一款CAN控制器芯片；

• 1991年，奔馳 500E 是世界上第一款基于CAN總線(xiàn)系統的量產(chǎn)車(chē)型；

• 1991年，Bosch發(fā)布CAN 2.0標準，分 CAN 2.0A （11位標識符）和 CAN 2.0B （29位標識符）；

• 1993年，ISO發(fā)布CAN總線(xiàn)標準（ISO 11898），隨后該標準主要有三部分：

•  ISO 11898-1：數據鏈路層協(xié)議

•   ISO 11898-2：高速CAN總線(xiàn)物理層協(xié)議

•  ISO 11898-3：低速CAN總線(xiàn)物理層協(xié)議

注意：ISO 11898-2和ISO 11898-3物理層協(xié)議不屬于 BOSCH CAN 2.0標準。

• 2012年，BOSCH發(fā)布 CAN FD 1.0 標準（CAN with Flexible Data-Rate），CAN FD定義了在仲裁后確使用不同的數據幀結構，從而達到最高 12Mbps 數據傳輸速率。CAN FD與CAN 2.0協(xié)議兼容，可以與傳統的CAN 2.0設備共存于同樣的網(wǎng)絡(luò )

標準化

CAN標準分為底層標準（物理層和數據鏈路層）和上層標準（應用層）兩大類(lèi)。CAN底層標準主要是 ISO 11898 系列的國際標準，也就是說(shuō)不同廠(chǎng)商在CAN總線(xiàn)的物理層和數據鏈路層定義基本相同；而上層標準，涉及到例如流控制、設備尋址和大數據塊傳輸控制等，不同應用領(lǐng)域或制造商會(huì )有不同的做法，沒(méi)有統一的國際標準。

底層標準

CAN底層標準涵蓋OSI模型中的物理層和數據鏈路層，底層標準包括：

• ISO 11898-1: 2015 定義CAN總線(xiàn)的數據鏈路層（DLL）和電氣信號標準，描述CAN總線(xiàn)的基本架構，定義不同CAN總線(xiàn)設備在數據鏈路層通信方式，詳細說(shuō)明邏輯鏈接控制（LLC）和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）子層部分；

•  ISO 11898-2: 2003 定義高速CAN總線(xiàn)（HS-CAN）物理層標準，最高數據傳輸速率 1Mbps ，應用為兩線(xiàn)平衡式信號（CAN_H, CAN_L），HS CAN是汽車(chē)動(dòng)力和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )中應用最為廣泛的物理層協(xié)議；

• ISO 11898-3: 2006 定義低速CAN總線(xiàn)（LS-CAN, Fault-Tolerant CAN）物理層標準，數據傳輸速率在 40Kbps ~ 125Kbps 。Fault-Tolerant是指總線(xiàn)上一根傳輸信號失效時(shí)，依靠另外的單根信號也可以通信，LS CAN主要應用于汽車(chē)車(chē)身電控單元之間通信；

• ISO 11898-4: 2004 定義CAN總線(xiàn)中的時(shí)間觸發(fā)機制（Time-Triggered CAN, TTCAN），定義與ISO 11898-1 配合的幀同步實(shí)體，實(shí)現汽車(chē)ECU之間基于時(shí)間觸發(fā)的通信方式。注意，ISO 11898-1 是基于事件驅動(dòng)（Event-Driven）的通信，它對于高負荷總線(xiàn)上，尤其是低優(yōu)先級的消息會(huì )造成較大的延遲，而基于時(shí)間觸發(fā)的ISO 11898-4 標準的初衷也正是為解決該問(wèn)題，確保CAN總線(xiàn)上可靠的消息傳輸；

• ISO 11898-5: 2007 對ISO 11898-2高速CAN總線(xiàn)的補充，并參照ISO 8802-2，定義在總線(xiàn)閑置時(shí)的節電特性；

• ISO 11898-6: 2013 對ISO 11898-2 和 ISO 11898-5 的補充，并參照ISO 8802-2，定義使用可配置的幀實(shí)現選擇性喚醒總線(xiàn)的機制；

• ISO 16845-1: 2004 定義測試符合ISO 11898-1標準CAN應用的方法和條件；

• ISO 16845-2: 2014 定義包括特定功能下可以選擇性喚醒總線(xiàn)的CAN收發(fā)器的測試實(shí)例和測試要求，也稱(chēng)為CAN總線(xiàn)的一致性測試

CAN總線(xiàn)底層標準與ISO/OSI模型的對應關(guān)系，如圖1所示。對于媒體專(zhuān)用接口（Medium Dependent Interface, MDI），沒(méi)有統一的國際標準。CiA DS-102 （CiA: CAN in Automation ）僅定義使用專(zhuān)用連接器（DB9），并對PIN定義作出一定規范。

圖1. CAN總線(xiàn)標準

上層標準

雖然底層標準相同，不同應用領(lǐng)域和組織會(huì )制定不同的上層標準。有的廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)并推廣其應用層標準，在某些領(lǐng)域得以廣泛應用。對于汽車(chē)行業(yè)來(lái)說(shuō)，幾乎每家廠(chǎng)商都有自己的CAN上層標準。比較流行的有工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域 CiA 的 CANopen ，Rockwell 的 DeviceNet；嵌入式控制領(lǐng)域 Kvaser 的 CAN Kingdom；智能設備控制 Honeywell 的 SDS；汽車(chē)診斷 ISO 14229 定義的 UDS，和中重型汽車(chē)CAN總線(xiàn)標準 SAE J1939 。如表1示。

 表1. CAN上層標準舉例

總線(xiàn)特點(diǎn)

• 符合OSI開(kāi)放式通信系統參考模型；

•  兩線(xiàn)式總線(xiàn)結構，電氣信號為差分式；

• 多主控制。在總線(xiàn)空閑時(shí)，所有的單元都可開(kāi)始發(fā)送消息，最先訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)的單元可獲得發(fā)送權；

• 多個(gè)單元時(shí)開(kāi)始發(fā)送時(shí)，發(fā)送高優(yōu)先級 ID 消息的單元可獲得發(fā)送權；

•  消息報文不包含源地址或者目標地址，僅通過(guò)標識符表明消息功能和優(yōu)先級；

• 基于固定消息格式的廣播式總線(xiàn)系統，短幀結構；

• 事件觸發(fā)型。只有當有消息要發(fā)送時(shí)，節點(diǎn)才向總線(xiàn)上廣播消息；

• 可以通過(guò)發(fā)送遠程幀請求其它節點(diǎn)發(fā)送數據；

• 消息數據長(cháng)度 0~8 Byte；

• 錯誤檢測功能。所有節點(diǎn)均可檢測錯誤，檢測處錯誤的單元會(huì )立即通知其它所有單元；

•  發(fā)送消息出錯后，節點(diǎn)會(huì )自動(dòng)重發(fā)；

•  故障限制。節點(diǎn)控制器可以判斷錯誤是暫時(shí)的數據錯誤還是持續性錯誤，當總線(xiàn)上發(fā)生持續數據錯誤時(shí)，控制器可將節點(diǎn)從總線(xiàn)上隔離；

•  通信介質(zhì)可采用雙絞線(xiàn)、同軸電纜和光導纖維，一般使用最便宜的雙絞線(xiàn)；

•  理論上，CAN總線(xiàn)用單根信號線(xiàn)就可以通信，但還是配備了第二根導線(xiàn)，第二根導線(xiàn)與第一根導線(xiàn)信號為差分關(guān)系，可以有效抑制電磁干擾；

• 在40米線(xiàn)纜條件下，最高數據傳輸速率 1Mbps；

• 總線(xiàn)上可同時(shí)連接多個(gè)節點(diǎn)，可連接節點(diǎn)總數理論上是沒(méi)有限制的，但實(shí)際可連接節點(diǎn)數受總線(xiàn)上時(shí)間延遲及電氣負載的限制；

•  未定義標準連接器，但經(jīng)常用9腳 DSUB
   

應用

在當今汽車(chē)應用領(lǐng)域，車(chē)內電控單元（Electrical Control Unit, ECU）可能多達 70 個(gè)，除了引擎控制單元（Engine Control Unit, ECU ）外，還存在傳動(dòng)控制、安全氣囊、ABS、巡航控制、EPS、音響系統、門(mén)窗控制和電池管理等模塊，雖然某些模塊是單一的子系統，但是模塊之間的互連依然非常重要。例如，有的子系統需要控制執行器和接收傳感器反饋，CAN總線(xiàn)可以滿(mǎn)足這些子系統數據傳輸的需求。汽車(chē)內子模塊的總線(xiàn)互連架構使得軟件可以更輕易地實(shí)現安全、經(jīng)濟和便利等新特性，相比傳統汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )架構中模塊單元直接連接更加經(jīng)濟。 CAN總線(xiàn)實(shí)現汽車(chē)內互連系統由傳統的點(diǎn)對點(diǎn)互連向總線(xiàn)式系統的進(jìn)化，大大降低汽車(chē)內電子系統布線(xiàn)的復雜度，如圖2所示。

圖2. 傳統網(wǎng)絡(luò )結構 VS 總線(xiàn)式結構

在 VW 的定義（SSP 269）中，根據應用范圍將車(chē)內CAN總線(xiàn)分為三類(lèi)：

• Convenience CAN /舒適CAN網(wǎng)絡(luò )，主要控制車(chē)門(mén)窗、空調等設備，最高傳輸速度100 kbps

• Powertrain CAN /動(dòng)力CAN網(wǎng)絡(luò )，主要控制動(dòng)力相關(guān)設備，如發(fā)動(dòng)機、制動(dòng)、ABS等，最高傳輸速度500 kbps

• Infotainment CAN /信息娛樂(lè )CAN網(wǎng)絡(luò )，主要控制收音機、電話(huà)和導航等設備，最高傳輸速度100 kbps

根據數據傳輸速度不同CAN總線(xiàn)分兩類(lèi)：高速CAN（ISO 11898-2）和低速CAN（ISO 11898-3）。

高速CAN（按BOSCH說(shuō)法，也叫CAN-C），數據速率在 125kbps ~ 1Mbps，應用在實(shí)時(shí)性要求高的節點(diǎn)，如引擎管理單元、電子傳動(dòng)控制、ESP和儀表盤(pán)等；低速CAN（CAN-B），數據速率在 5kbps ~ 125kbps，應用在實(shí)時(shí)性要求低的節點(diǎn)，主要在舒適和娛樂(lè )領(lǐng)域，如空調控制、座椅調節、燈光、視鏡調整等，這些節點(diǎn)對實(shí)時(shí)性要求不高，而且分布較為分散，線(xiàn)纜較易收到損壞，低速CAN的傳輸速度即可滿(mǎn)足要求，而且單根線(xiàn)纜也可以工作，很好地適應了以上需求。不同速度類(lèi)型的CAN總線(xiàn)設備不能直接連在同一路總線(xiàn)上，它們之間需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)隔離。

CAN總線(xiàn)在汽車(chē)診斷領(lǐng)域的應用也非常廣泛，ECU直接掛載在總線(xiàn)上，可以很快地獲取診斷所需的信息。傳統的汽車(chē)診斷接口（如KWP2000）應用逐漸減少。

圖2a示意了汽車(chē)內總線(xiàn)系統及電子設備的邏輯分布，總線(xiàn)系統包括 CAN、LIN、FlexRay 和 MOST 。注意，車(chē)載以太網(wǎng)在圖中未列出，但它的應用日漸廣泛。以上不同類(lèi)型和速度的總線(xiàn)，通過(guò)網(wǎng)關(guān) Gateway 模塊相互通信。（圖片來(lái)源：鏈接）

 圖2a. 汽車(chē)內總線(xiàn)系統舉例

局限性

• 由于CAN總線(xiàn)仲裁的特點(diǎn)，即使往總線(xiàn)上周期性發(fā)送消息，也不能保證節點(diǎn)可以確定（周期） 地收到消息，CAN不適合對時(shí)間特別敏感的應用；

•  最高傳輸速率只有 1Mbps ，對于汽車(chē)自動(dòng)駕駛應用的數據傳輸，或者視頻音頻傳輸帶寬不足。為解決這方面的需求，CAN FD 速度有所上升，另外還有 MOST、LVDS 和以太網(wǎng)等；

• 對于簡(jiǎn)單的應用，高成本的CAN總線(xiàn)雖然可靠性很高，但有點(diǎn)浪費。LIN 總線(xiàn)相比CAN具有成本優(yōu)勢，更適合應用于車(chē)窗座椅空調等設備
   

電路基礎

硬件拓撲

連接在CAN總線(xiàn)上的設備叫做節點(diǎn)設備（CAN Node），CAN網(wǎng)絡(luò )的拓撲一般為線(xiàn)型。線(xiàn)束最常用為非屏蔽雙絞線(xiàn)（UTP），線(xiàn)上傳輸為對稱(chēng)的電平信號（差分）。圖3示為CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )示意圖，節點(diǎn)主要包括Host、控制器和收發(fā)器三部分。Host常集成有CAN控制器，CAN控制器負責處理協(xié)議相關(guān)功能，以減輕Host的負擔。CAN收發(fā)器將控制器連接到傳輸媒介。通?？刂破骱涂偩€(xiàn)收發(fā)器通過(guò)光耦或磁耦隔離，這樣即使總線(xiàn)上過(guò)壓，損壞收發(fā)器，控制器和Host設備也可以得到保護。

 圖3. CAN總線(xiàn)節點(diǎn)示意圖

高速CAN總線(xiàn)最高信號傳輸速率為1Mbps，支持最長(cháng)距離 40m。ISO 11898-2 規定要求在高速CAN總線(xiàn)的兩端安裝端接電阻（RL）以消除反射，而低速CAN最高速度只有 125Kbps，因此 ISO 11898-3 沒(méi)有要求端接。ISO 11898 規定的CAN總線(xiàn)上最多 32 個(gè)節點(diǎn)。實(shí)際應用中要考慮到CAN總線(xiàn)收發(fā)器的性能，以及工作的CAN網(wǎng)絡(luò )是高速CAN還是低速CAN。在傳輸距離方面，由于距離越大，信號時(shí)延也越大，為確保消息的正確采樣，總線(xiàn)上的信號速率相應也得下降，表2列出推薦的信號速率與距離的關(guān)系。

 表2. CAN總線(xiàn)長(cháng)度與信號速率關(guān)系（推薦）

收發(fā)器

CAN收發(fā)器包括 CANH 和 CANL 兩根信號，CANH和CANL信號采用差分電平，這樣可以取得更好的電磁兼容效果。CAN總線(xiàn)物理傳輸媒介只需要兩根線(xiàn)。

前面的標準部分有介紹，CAN總線(xiàn)分高速CAN和低速CAN，收發(fā)器因之也分為高速CAN收發(fā)器（1Mbps）和低速CAN收發(fā)器（125Kbps）。低速CAN也叫 Fault Tolerant CAN ，指的是即使總線(xiàn)上一根線(xiàn)失效，總線(xiàn)依然可以通信。圖4示例高速CAN收發(fā)器的基本電路結構。當兩個(gè)晶體管都關(guān)斷時(shí)，CANH和CANL上電壓相同，且都為 0.5*VCC ；而當兩個(gè)晶體管都打開(kāi)時(shí)，CANH 和 CANL 上即存在一定的壓差，且壓差與負載電阻值相關(guān)。ISO 11898-2 要求此時(shí) CANH 和 CANL 壓差在 2V 左右。

CAN收發(fā)器的特性包括非常低的電磁輻射和很強的抗擊共模噪聲的能力。另外，CAN收發(fā)器可以提供高達 8KV 的ESD保護，在電路設計中可以在收發(fā)器附近增加共模電感以進(jìn)一步降低電磁輻射（圖5）。

圖4. CAN總線(xiàn)收發(fā)器（MCP2551）

 圖5. 共模電感降低輻射

信號電平

高速CAN和低速CAN總線(xiàn)在物理層信號電平上定義有所不同。圖6和圖7表示高速和低速CAN總線(xiàn)上信號電平與總線(xiàn)邏輯的對應關(guān)系。

高速CAN，定義 CANH 和 CANL 電壓相同（CANH = CANL = 2.5V）時(shí)為邏輯“1”，CANH和CANL 電壓相差 2V（CANH = 3.5V, CANL = 1.5V） 時(shí)為邏輯“0”。高速CAN收發(fā)器在共模電壓范圍內（-12V ~ 12V），將CANH和CANL電壓相差大于 0.9V 解釋為顯性狀態(tài)（Dominant），而將CANH和CANL電壓相差小于 0.5V 解釋為為隱性狀態(tài)（Recessive）。收發(fā)器內部有遲滯電路可以降低干擾。

低速CAN，定義CANH和CANL電壓相差 5V （CANH = 0V, CANL = 5V）時(shí)為邏輯“1”，相差 2.2V （CANH = 3.6V, CANL = 1.4V）時(shí)為邏輯“0”。

在CAN總線(xiàn)上，邏輯“0”和“1”之間顯著(zhù)的電壓差是總線(xiàn)可靠通信的保證。參照上面的描述，CAN總線(xiàn)上兩種電平狀態(tài)分別為：

顯性（Dominant ）: 0
 隱性（Recessive ）: 1
CAN總線(xiàn)的信號電平具有線(xiàn)與特性，即顯性電平（0）總是會(huì )掩蓋隱性電平（1）。如果不同節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送顯性和隱性電平，總線(xiàn)上表現出顯性電平（0），只有在總線(xiàn)上所有節點(diǎn)發(fā)送的都是隱性電平（1）時(shí)，總線(xiàn)才表現為隱性。線(xiàn)與特性是CAN總線(xiàn)仲裁的電路基礎。詳細仲裁過(guò)程見(jiàn)下文“仲裁機制”部分。

 圖6. 高速CAN信號電平（ ISO 11898-2）

 圖7. 低速CAN信號電平（ ISO 11898-3）

連接器

在前文有提到，業(yè)界只規定了9 Pin D-Sub 類(lèi)型的CAN總線(xiàn)連接器，其信號定義如圖8所示。

 圖8. CAN 9 Pin D-Sub引腳定義

三種CAN標準物理層比較

除了上文介紹的高速CAN和低速CAN外，還有標準定義另外一種CAN物理層結構，即 Single Wire CAN。單線(xiàn)CAN可以減少一根傳輸線(xiàn)，但是要求節點(diǎn)間有良好的共地特性（相當于第二根信號線(xiàn)）。單線(xiàn)CAN的信號抗干擾能力相對較弱，在設計中需要提高信號幅度以增加信噪比，如此又會(huì )讓它自身的輻射能力增加，因此必須降低其信號傳輸速率以達到電磁兼容的要求。綜上，單線(xiàn)CAN僅適合應用在低速的車(chē)身電子單元、舒適及娛樂(lè )控制領(lǐng)域。低速CAN總線(xiàn)由于信號速度不高，在一根信號線(xiàn)失靈的情況下，仍可工作于單線(xiàn)模式。

三種CAN總線(xiàn)物理層的對比如表3列出?？偩€(xiàn)連接拓撲圖如圖9，對于端接，高速CAN端接是在總線(xiàn)兩端，而低速CAN和單線(xiàn)CAN的端接都是在各節點(diǎn)位置。

 表3. 三種CAN物理層標準比較

 圖9. 三種CAN總線(xiàn)物理層的比較

通信原理

Multi-Master

安全敏感的應用，比如汽車(chē)動(dòng)力，對通信系統的可靠性要求很高。將總線(xiàn)工作正常與否歸結到單一節點(diǎn)是極其危險的，比較合理的方案是對總線(xiàn)接入的去中心化，亦即每個(gè)節點(diǎn)都有接入總線(xiàn)的能力。這也是CAN總線(xiàn)采用多主控（Multi-Master）線(xiàn)性拓撲結構的原因。在CAN總線(xiàn)上，每個(gè)節點(diǎn)都有往總線(xiàn)上發(fā)送消息的能力，而且消息的發(fā)送不必遵從任何預先設定的時(shí)序，通信是事件驅動(dòng)的。只有當有新的信息傳遞時(shí)，CAN總線(xiàn)才處于忙的狀態(tài)，這使得節點(diǎn)接入總線(xiàn)速度非?？?。CAN總線(xiàn)理論最高數據傳輸速率為1Mbps，對于異步事件反應迅速，基本上對于毫秒級的實(shí)時(shí)應用沒(méi)有任何問(wèn)題。

尋址機制

不同于其它類(lèi)型的總線(xiàn)，CAN總線(xiàn)不設定節點(diǎn)的地址，而是通過(guò)消息的標識符（Identifier）來(lái)區別消息。CAN總線(xiàn)消息是廣播式的，也就是說(shuō)在同一時(shí)刻所有節點(diǎn)都檢測到同樣的電平信號。接受節點(diǎn)通過(guò)識別消息中的標識符，與該節點(diǎn)預設的過(guò)濾規則對比，如果滿(mǎn)足規則就接收這條消息，發(fā)送應答，否則就忽略這條消息，關(guān)于這部分介紹見(jiàn)下文“條件接收”部分。這種機制雖然會(huì )增加消息幀的復雜度（增加標識符），但是節點(diǎn)在此情況下可以無(wú)須了解其它節點(diǎn)的狀況，而相互間獨立工作，在總線(xiàn)上增加節點(diǎn)時(shí)僅須關(guān)注消息類(lèi)型，而非系統上其它節點(diǎn)的狀況。這種以消息標識符尋址的方式，讓在總線(xiàn)上增加節點(diǎn)變得更加靈活。

CSMA/CD+AMP

CAN總線(xiàn)通信原理可簡(jiǎn)單描述為多路載波偵聽(tīng)+基于消息優(yōu)先級的沖突檢測和仲裁機制（CSMA/CD+AMP），CSMA（Carrier Sense Multiple Access ）指的所有節點(diǎn)必須都等到總線(xiàn)處于空閑狀態(tài)時(shí)才能往總線(xiàn)上發(fā)送消息；CD+AMP（Collision Detection + Arbitration on Message Priority）指的是如果多個(gè)節點(diǎn)往總線(xiàn)上發(fā)送消息時(shí)，具備最高優(yōu)先級（標識符最?。┑南@得總線(xiàn)占有權。

幀分類(lèi)

CAN總線(xiàn)定義四種幀類(lèi)型，分別為數據幀、遠程幀、錯誤幀和過(guò)載幀。數據幀就是總線(xiàn)上傳輸用戶(hù)數據的幀，其最高有效載荷是 8 Byte，除了有效載荷外，數據幀還包括必要的幀頭幀位部分以執行CAN標準通信，比如消息標識符（Identifier）、數據長(cháng)度代碼、校驗信息等。遠程幀是用來(lái)向總線(xiàn)上其它節點(diǎn)請求數據的幀，它的幀結構與數據幀相似，只不過(guò)沒(méi)有有效載荷部分；錯誤幀是表示通信出錯的幀。數據幀和遠程幀有標準格式和擴展格式兩種格式。標準格式有 11 位的標識符 ， 擴展格式有 29 位標識符。

各種幀的用途分別為：

• 數據幀：用于發(fā)送單元向接收單元傳送數據的幀；

• 遠程幀：用于接收單元向具有相同標識符的發(fā)送單元請求數據的幀；

• 錯誤幀：用于當檢測出錯誤時(shí)向其它單元通知錯誤的幀；

• 過(guò)載幀：用于接收單元通知其尚未做好接收準備的幀
   

數據幀

數據幀的幀結構如圖10所示，圖中示例標準數據幀（Standard）和擴展數據幀（Extended）兩種格式。各字段定義及長(cháng)度分別為：

• SOF：表示數據幀開(kāi)始；（1 bit）

• Identifier：標準格式11 bit，擴展格式29 bit包括Base Identifier（11 bit）和Extended Identifier（18 bit），該區段標識數據幀的優(yōu)先級，數值越小，優(yōu)先級越高；

• RTR：遠程傳輸請求位，0時(shí)表示為數據幀，1表示為遠程幀，也就是說(shuō)RTR=1時(shí)，消息幀的Data Field為空；（1 bit）

• IDE： 標識符擴展位，0時(shí)表示為標準格式，1表示為擴展格式；（1 bit）

• DLC：數據長(cháng)度代碼，0~8表示數據長(cháng)度為0~8 Byte；（4 bit）

• Data Field：數據域；（0~8 Byte）

• CRC Sequence：校驗域，校驗算法G(x) = x15 + x14 + x10 + x8 + x7 + x4 + x3 + 1；（15 bit）

• DEL：校驗域和應答域的隱性界定符；（1 bit）

• ACK：應答，確認數據是否正常接收，所謂正常接收是指不含填充錯誤、格式錯誤、 CRC 錯誤。發(fā)送節點(diǎn)將此位為1，接收節點(diǎn)正常接收數據后將此位置為0；（1 bit）

• SRR：替代遠程請求位，在擴展格式中占位用，必須為1；（1 bit）

• EOF：連續7個(gè)隱性位（1）表示幀結束；（7 bit）

• ITM：幀間空間，Intermission (ITM)，又稱(chēng)Interframe Space (IFS)，連續3個(gè)隱性位，但它不屬于數據幀。幀間空間是用于將數據幀和遠程幀與前面的幀分離開(kāi)來(lái)的幀。數據幀和遠程幀可通過(guò)插入幀間空間將本幀與前面的任何幀（數據幀、遙控幀、錯誤幀、過(guò)載幀）分開(kāi)。過(guò)載幀和錯誤幀前不能插入幀間空間。

圖10. CAN標準格式和擴展格式的數據幀/遠程幀格式

遠程幀

一般地，數據是由發(fā)送單元主動(dòng)向總線(xiàn)上發(fā)送的，但也存在接收單元主動(dòng)向發(fā)送單元請求數據的情況。遠程幀的作用就在于此，它是接收單元向發(fā)送單元請求發(fā)送數據的幀。遠程幀與數據幀的幀結構類(lèi)似，如上圖X所示。遠程幀與數據幀的幀結構區別有兩點(diǎn)：

• 數據幀的 RTR 值為“0”，遠程幀的 RTR 值為“1”

• 遠程幀沒(méi)有數據塊

遠程幀的 DLC 塊表示請求發(fā)送單元發(fā)送的數據長(cháng)度（Byte）。當總線(xiàn)上具有相同標識符的數據幀和遠程幀同時(shí)發(fā)送時(shí)，由于數據幀的 RTR 位是顯性的，數據幀將在仲裁中贏(yíng)得總線(xiàn)控制權。

錯誤幀

用于在接收和發(fā)送消息時(shí)檢測出錯誤時(shí)，通知錯誤的幀。錯誤幀由錯誤標志和錯誤界定符構成。錯誤幀的幀結構如圖11示。

• 錯誤標志：6-12 個(gè)顯性/隱性重疊位

• 主動(dòng)錯誤標志（6個(gè)顯性位）： 處于主動(dòng)錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時(shí)輸出的錯誤標志

• 被動(dòng)錯誤標志（6個(gè)隱性位）： 處于被動(dòng)錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時(shí)輸出的錯誤標志

• 錯誤界定符：8 個(gè)隱性位

圖11. 錯誤幀的幀結構

過(guò)載幀

過(guò)載幀是用于接收單元通知發(fā)送單元它尚未完成接收準備的幀。在兩種情況下，節點(diǎn)會(huì )發(fā)送過(guò)載幀：

• 接收單元條件的制約，要求發(fā)送節點(diǎn)延緩下一個(gè)數據幀或遠程幀的傳輸；

• 幀間空間（Intermission）的 3 bit 內檢測到顯性位

每個(gè)節點(diǎn)最多連續發(fā)送兩條過(guò)載幀。過(guò)載幀由過(guò)載標志和過(guò)載界定符（8 個(gè)隱性位）構成。數據幀的幀結構如圖12所示。

 圖12. 過(guò)載幀的幀結構

仲裁機制

如果多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)往總線(xiàn)上發(fā)送消息，總線(xiàn)的使用權是通過(guò)消息幀標識符的逐位仲裁機制決定的，在仲裁過(guò)程中消息是不會(huì )丟失的。這里的不會(huì )丟失的意思是指仲裁完成后，獲得總線(xiàn)控制權的消息內容沒(méi)有被仲裁過(guò)程篡改，將繼續在總線(xiàn)上發(fā)送沒(méi)有傳輸完的消息。
在CAN總線(xiàn)上，標識符值越小，消息的優(yōu)先級越高。標識符全零的消息，由于它將總線(xiàn)電平保持在顯性的時(shí)間最長(cháng)，因此優(yōu)先級最高。CAN總線(xiàn)的仲裁機制如圖13所示，幾點(diǎn)說(shuō)明：

• Wire-AND Bus Logic：只有節點(diǎn)發(fā)送的全是隱性，總線(xiàn)電平才表現為隱性；

• Arbitration Logic：所有發(fā)送節點(diǎn)在發(fā)送數據的同時(shí)，也檢測總線(xiàn)上的電平狀態(tài)。如果總線(xiàn)電平狀態(tài)與它發(fā)送的電平狀態(tài)一致，則繼續發(fā)送（Next）；如果發(fā)送為顯性，總線(xiàn)電平狀態(tài)為隱性，則傳輸出現故障（Fault）；如果發(fā)送為隱性，總線(xiàn)電平狀態(tài)為顯性，則該節點(diǎn)退出對總線(xiàn)占用權的競爭（Stop）；

• 節點(diǎn)A和節點(diǎn)C同時(shí)向總線(xiàn)上發(fā)送數據，在仲裁階段，逐位對比總線(xiàn)上電平與自身發(fā)送的電平，在標識符的第四位（ID7），節點(diǎn)C檢測到總線(xiàn)上電平與其自身發(fā)送電平不一致，它自動(dòng)退出對總線(xiàn)的競爭，節點(diǎn)A則繼續發(fā)送數據

 圖13. CAN總線(xiàn)仲裁機制

如上介紹，CAN總線(xiàn)上的逐位仲裁機制與 I2C 總線(xiàn)的仲裁都應用到線(xiàn)與邏輯的電路基礎，不同的是I2C的仲裁只是在主機間進(jìn)行，而CAN總線(xiàn)沒(méi)有主從機的概念。另外I2C的消息本身是不分優(yōu)先級的；CAN消息則是帶優(yōu)先級，有的消息出身高貴（標識符值越?。?，在仲裁中總會(huì )取勝。

為消息劃分優(yōu)先級比較適合于實(shí)時(shí)控制系統，這樣可以確保重要的信息優(yōu)先發(fā)送，相對次要的消息延遲發(fā)送，系統設計師應該根據應用的特點(diǎn)為不同消息確定不同的優(yōu)先級（標識符），在類(lèi)似 DeviceNet 這些規范組織的定義中，對于同樣類(lèi)型的消息，比如溫度傳感器，即使它們可能來(lái)自不同的供應商，但消息標識符是一致的。

對于車(chē)身控制CAN網(wǎng)絡(luò )（舒適+信息娛樂(lè )），其特點(diǎn)是消息標識符種類(lèi)多，而且消息發(fā)送沒(méi)有固定頻率或規律，在此類(lèi)應用的CAN控制器，例如 Freescale 的 MSCAN（Motorola Scalable Controller Area Network）的設計中，控制器內部包括 FIFO 寄存器，它將具有相同標識符的消息按順序保存，從而避免接收緩沖器溢出。而對于動(dòng)力系統控制的CAN網(wǎng)絡(luò )，總線(xiàn)上的消息特點(diǎn)是速度快，但是存在一定規律，此類(lèi)應用的CAN控制器，例如 Freescale 的 FlexCAN（CAN 2.0B-Compliant），它包括 16 ~ 64 個(gè)稱(chēng)為“mailbox”的接收緩沖器，運行時(shí)根據特定的過(guò)濾規則，將不同標識符的消息送到各自對應的 mailbox 。

條件接收

前面有提到消息在CAN總線(xiàn)上是廣播式的，但并不是所有節點(diǎn)都會(huì )對總線(xiàn)上所有消息感興趣。節點(diǎn)通過(guò)控制器中過(guò)濾碼（Filter Code ）和掩碼（Mask Code），再檢驗總線(xiàn)上消息的標識符，來(lái)判斷是否接收該消息（Message Filtering）。

對于掩碼，“1”表示該位與本節點(diǎn)相關(guān)，“0”表示該位與本節點(diǎn)不相關(guān)。舉例如下：

例1：僅接收消息標識符為00001567（十六進(jìn)制）的幀

• 設置過(guò)濾碼為00001567

• 設置掩碼為1FFFFFFF

節點(diǎn)檢測消息的標識符的所有位（29位），如果標識符為00001567接收，否則舍棄。

例2：接收消息標識符為00001567 到 0000156F 的幀

• 設置過(guò)濾碼為00001560

• 設置掩碼為1FFFFFF0

節點(diǎn)檢測消息的標識符的高25位，最低的4位則不care。如果標識符最高25位相同則接收，否則舍棄。

例3：接收消息標識符為00001560 到 00001567 的幀

• 設置過(guò)濾碼為00001560

• 設置掩碼為1FFFFFF8

節點(diǎn)檢測消息的標識符的高26位，最低的3位則不care。如果標識符最高26位相同則接收，否則舍棄。

例4：接收所有消息幀幀

• 設置過(guò)濾碼為0

• 設置掩碼為0

節點(diǎn)接收總線(xiàn)上所有消息。

應答機制

應答位（ACK）用來(lái)表示節點(diǎn)已經(jīng)收到有效的幀。任何節點(diǎn)如果準確無(wú)誤地接收到幀，則要向總線(xiàn)上發(fā)送顯性位，該顯性位將掩蓋發(fā)送節點(diǎn)輸出的隱性位，使總線(xiàn)上表現為顯性。如果發(fā)送節點(diǎn)檢測應答位為隱性，那么說(shuō)明沒(méi)有節點(diǎn)收到有效幀。接收節點(diǎn)可能在應答位輸出隱性表示它沒(méi)有收到有效幀，但另外有收到有效幀的節點(diǎn)也可能輸出顯性表示它收到有效幀，這樣總線(xiàn)上總體上表現為顯性，發(fā)送節點(diǎn)也無(wú)從得知是否總線(xiàn)上所有節點(diǎn)都收到有效的幀。

位填充

CAN總線(xiàn)使用到的是非歸零編碼（NRZ），NRZ編碼的優(yōu)點(diǎn)是效率高，但卻不易區分哪里是bit開(kāi)始，哪里是bit結束。因此為確保在同步通信過(guò)程中有足夠的電平跳變，規范中應用到位填充機制，即在每連續 5 個(gè)相同電平后插入 1個(gè)反相電平，接收節點(diǎn)在收到消息后自動(dòng)將填充位刪除。在幀內除了CRC界定符、ACK域和EOF外，其余部分均應用到位填充機制。在應用到位填充的域，檢測到連續 6 個(gè)顯性位或隱性位均視為報錯。檢測到錯誤后，節點(diǎn)將發(fā)出主動(dòng)錯誤標志。注意如前文述，主動(dòng)錯誤標志為連續6個(gè)顯性位，它是不符合位填充規則的，因此檢測到該電平的所有節點(diǎn)都會(huì )報錯。
位填充意味著(zhù)實(shí)際傳輸的數據幀長(cháng)度可能更長(cháng)，圖14示例位填充前后的數據幀的變化，紫色位是位填充增加的位，接收節點(diǎn)收到消息后會(huì )自動(dòng)刪除這些位。

圖14. 數據幀在位填充前后的比較

錯誤檢驗

完善的錯誤校驗機制是CAN總線(xiàn)高可靠性的有效保證。CAN總線(xiàn)包括 5 種錯誤校驗機制，其中 3 種在消息層面（Message Level），2 種在比特層面（Bit Level） 。如果消息出現五種錯誤中的任何一種，接收節點(diǎn)將不接收消息，并且產(chǎn)生錯誤幀通知發(fā)送節點(diǎn)重新發(fā)送消息，直到接收節點(diǎn)正確地收到消息。如果失效的節點(diǎn)持續不斷地報錯，導致總線(xiàn)掛死，那么在報錯次數達到設定的上限時(shí)，它將被控制器從總線(xiàn)上移除（詳見(jiàn)“故障限制”部分）。
消息層面的錯誤校驗機制體現在數據幀（圖10）中的 CRC 校驗域和 ACK 域。CRC校驗域包括傳輸數據的 15 bit Checksum值和 1 bit 界定符。ACK域包括 1 bit ACK位和 1 bit 界定符。消息層面的校驗還包括格式錯誤校驗，格式錯誤校驗會(huì )檢查消息幀中必須為隱性的位，如果這些位表現為顯性，那么節點(diǎn)將報格式錯誤。格式錯誤檢查的隱性位包括SOF、EOF、ACK界定符和CRC界定符。
在比特層面，發(fā)送節點(diǎn)在發(fā)送消息的同時(shí)會(huì )檢測總線(xiàn)電平，如果檢測到總線(xiàn)的狀態(tài)和它發(fā)送的狀態(tài)不符，則發(fā)送節點(diǎn)將報錯。該過(guò)程的兩處例外是消息幀處于標識符仲裁階段和消息應答階段。
最后一種錯誤校驗機制源于CAN總線(xiàn)的位填充機制。除了錯誤標志和EOF，如果節點(diǎn)檢測到連續 6 個(gè)相同電平，它即報填充錯誤。主動(dòng)錯誤標志包括連續6個(gè)顯性位，總線(xiàn)上所有檢測到主動(dòng)錯誤標志的節點(diǎn)都會(huì )報錯，而產(chǎn)生各自的錯誤幀，這意味著(zhù)總線(xiàn)上的錯誤幀可能由原先的 6 bit 到反饋疊加至 12 bit 不等。錯誤幀后面緊接著(zhù)8個(gè)隱性位界定符（如圖10）。在總線(xiàn)空閑時(shí)，消息通過(guò)競爭仲裁獲得總線(xiàn)占用權后將重新傳送。

綜上，CAN總線(xiàn)的錯誤類(lèi)型包括以下五種：

• CRC錯誤（CRC Error）

在發(fā)送消息時(shí)，發(fā)送節點(diǎn)會(huì )根據特定的多項式計算出由數據幀SOF位到數據域最末位的Checksum值，并將該值放在數據幀的CRC域，隨著(zhù)數據幀廣播到總線(xiàn)上。接收節點(diǎn)在收到數據后，應用同樣的多項式計算Checksum值，并與收到的Checksum值對比。如果兩者一致，正常接收；如果不一致，則舍棄該消息，并發(fā)送錯誤幀請求發(fā)送節點(diǎn)重傳消息。CRC校驗過(guò)程如圖15所示。

CAN 2.0 規范定義CRC校驗應用的多項式為：

 圖15. CRC校驗機制

• 應答錯誤（ACK Error）

發(fā)送單元在A(yíng)CK位中檢測到隱性電平時(shí)所檢測到的錯誤（ACK沒(méi)被傳送過(guò)來(lái)時(shí)所檢測到的錯誤）。

• 格式錯誤（Form Error）

檢測出與固定格式的位段相反的格式時(shí)所檢測到的錯誤。

• 位錯誤（Bit Error）

比較輸出電平和總線(xiàn)電平（不含填充位），當兩電平不一樣時(shí)所檢測到的錯誤。

• 填充錯誤（Stuff Error）

在需要位填充的段內，連續檢測到 6 位相同的電平時(shí)所檢測到的錯誤。

故障限制

CAN總線(xiàn)上的每個(gè)節點(diǎn)控制器都會(huì )檢測消息是否出錯，如果節點(diǎn)發(fā)現消息出錯，它將發(fā)送錯誤標志，從而打斷總線(xiàn)上正常的數據傳輸?？偩€(xiàn)上其它沒(méi)有發(fā)現原始消息錯誤的節點(diǎn)，在收到錯誤標志后將采取必要的措施，比如舍棄當前總線(xiàn)上的消息。CAN節點(diǎn)內部有兩種錯誤狀態(tài)計數器 TEC 和 REC 。節點(diǎn)通過(guò)特定的規則管理這兩個(gè)計數器的值，其中：

• TEC /Transmit Error Counter，發(fā)送錯誤狀態(tài)計數器，出現一次錯誤該計數器值 +8；

• REC /Receive Error Counter，接收錯誤狀態(tài)計數器，出現一次錯誤該計數器值 +1；

• 消息成功發(fā)送或接收一次，對應的 TEC 或 REC 值相應 -1

TEC 增加的速度快于 REC 增加的速度，這是因為有很大概率地是發(fā)送節點(diǎn)，而不是接受節點(diǎn)出錯！基于 TEC 和 REC數值的變化，CAN規范定義了節點(diǎn)的 3 種基本錯誤狀態(tài)：

• Error Active：正常狀態(tài)，在此狀態(tài)下，節點(diǎn)可以發(fā)送所有類(lèi)型的幀，包括錯誤幀；

•  Error Passive：節點(diǎn)可以發(fā)送除錯誤幀以外的所有幀；

• Bus Off：節點(diǎn)被控制器從總線(xiàn)上隔離

節點(diǎn)的三種錯誤狀態(tài)切換關(guān)系如圖16所示。

 圖16. CAN總線(xiàn)節點(diǎn)錯誤狀態(tài)切換圖

波形舉例

圖17示例CAN通信過(guò)程信號波形。在 1 時(shí)刻，節點(diǎn)A向總線(xiàn)上發(fā)送消息；在 2 時(shí)刻，節點(diǎn)B和C收到消息，發(fā)送響應應答；在 3 時(shí)刻，節點(diǎn)B和C同時(shí)向總線(xiàn)上發(fā)送消息，競爭仲裁后節點(diǎn)C獲得總線(xiàn)占用權，在 4 時(shí)刻繼續發(fā)送未傳輸完畢的數據；節點(diǎn)A和B在 5 時(shí)刻響應C發(fā)送的消息；在總線(xiàn)空閑的 6 時(shí)刻，B發(fā)送消息到總線(xiàn)上；在 7 時(shí)刻節點(diǎn)A和B響應節點(diǎn)B發(fā)送的消息；在 8 時(shí)刻，節點(diǎn)A向空閑總線(xiàn)上發(fā)送消息。

 圖17. CAN通信過(guò)程舉例