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題記： 在這信息爆炸的年代，學(xué)習(xí)一樣新的知識(shí)，尤其是IT技術(shù)的學(xué)習(xí)，網(wǎng)絡(luò)是必不可少的。一陣狂搜過后，發(fā)現(xiàn)基于CAN總線的介紹確實(shí)不少，但是大多好像都雷同了，也許是不斷轉(zhuǎn)貼的結(jié)果吧。而且這些知識(shí)點(diǎn)也都太零散了，讓人看了，尤其是初學(xué)者有點(diǎn)找不著北的感覺。所以，本著謙虛好學(xué)腳踏實(shí)地的菜鳥精神，決定把網(wǎng)上搜的，書上看的，再添油加醋的做一番比較系統(tǒng)的整理。算是為學(xué)習(xí)CAN總線理清思路，快速上手打基礎(chǔ)吧。 一、什么是CAN總線? CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。最初，CAN被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，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(luò)。比如：發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)由CAN 總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上可以掛接無數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。例如，當(dāng)使用Philips P82C250作為CAN收發(fā)器時(shí)，同一網(wǎng)絡(luò)中允許掛接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。CAN 可提供高達(dá)1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實(shí)時(shí)控制變得非常容易。另外，硬件的錯(cuò)誤檢定特性也增強(qiáng)了CAN的抗電磁干擾能力。 二、CAN 總線是如何發(fā)展的? CAN最初出現(xiàn)在80年代末的汽車工業(yè)中，由德國Bosch公司最先提出。當(dāng)時(shí)，由于消費(fèi)者對(duì)于汽車功能的要求越來越多，而這些功能的實(shí)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(fù)雜，同時(shí)意味著需要更多的連接信號(hào)線。提出CAN總線的最初動(dòng)機(jī)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(hào)線。于是，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)總線，所有的外圍器件可以被掛接在該總線上。1993年，CAN 已成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898(高速應(yīng)用)和ISO11519(低速應(yīng)用)。 CAN是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到10Km時(shí)，CAN 仍可提供高達(dá)50Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。 由于CAN總線具有很高的實(shí)時(shí)性能，因此，CAN已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。 三、CAN 總線是如何工作的? CAN通訊協(xié)議主要描述設(shè)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(shè)備上相同的那一層通訊。實(shí)際的通訊發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過模型物理層的物理介質(zhì)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(yīng)用層協(xié)議可以由CAN用戶定義成適合特別工業(yè)領(lǐng)域的任何方案。已在工業(yè)控制和制造業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)是DeviceNet，這是為PLC和智能傳感器設(shè)計(jì)的。在汽車工業(yè)，許多制造商都應(yīng)用他們自己的標(biāo)準(zhǔn)。 CAN能夠使用多種物理介質(zhì)，例如雙絞線、光纖等。最常用的就是雙絞線。信號(hào)使用差分電壓傳送，兩條信號(hào)線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時(shí)均是2.5V左右，此時(shí)狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為“顯形”，此時(shí)，通常電壓值為：CAN_H = 3.5V 和CAN_L = 1.5V。 四、CAN 有哪些特性? CAN具有十分優(yōu)越的特點(diǎn)，使人們樂于選擇。這些特性包括： 1、低成本; 2、極高的總線利用率; 3、很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離(長達(dá)10Km); 4、高速的數(shù)據(jù)傳輸速率(高達(dá)1Mbit/s); 5、可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文; 6、可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制; 7、發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā); 8、節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能; 9、報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息。 五、Philips制造的CAN芯片有哪些? 六、CAN總線如何進(jìn)行位仲裁? CSMA/CD是“載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)”(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect)的縮寫。 利用CSMA訪問總線，可對(duì)總線上信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，只有當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，才允許發(fā)送。利用這種方法，可以允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)掛接到同一網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)沖突位時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)重新回到‘監(jiān)聽’總線狀態(tài)，直到該沖突時(shí)間過后，才開始發(fā)送。在總線超載的情況下，這種技術(shù)可能會(huì)造成發(fā)送信號(hào)經(jīng)過許多延遲。為了避免發(fā)送時(shí)延，可利用CSMA/CD方式訪問總線。當(dāng)總線上有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行發(fā)送時(shí)，必須通過“無損的逐位仲裁”方法來使有最高優(yōu)先權(quán)的的報(bào)文優(yōu)先發(fā)送。在CAN總線上發(fā)送的每一條報(bào)文都具有唯一的一個(gè)11位或29位數(shù)字的ID。CAN總線狀態(tài)取決于二進(jìn)制數(shù)‘0’而不是‘1’，所以ID號(hào)越小，則該報(bào)文擁有越高的優(yōu)先權(quán)。因此一個(gè)為全‘0’標(biāo)志符的報(bào)文具有總線上的最高級(jí)優(yōu)先權(quán)。可用另外的方法來解釋：在消息沖突的位置，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送0而另外的節(jié)點(diǎn)發(fā)送1，那么發(fā)送0的節(jié)點(diǎn)將取得總線的控制權(quán)，并且能夠成功的發(fā)送出它的信息。 七、CAN的高層協(xié)議 CAN的高層協(xié)議(也可理解為應(yīng)用層協(xié)議)是一種在現(xiàn)有的底層協(xié)議(物理層和數(shù)據(jù)鏈路層)之上實(shí)現(xiàn)的協(xié)議。高層協(xié)議是在CAN規(guī)范的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的應(yīng)用層。許多系統(tǒng)(像汽車工業(yè))中，可以特別制定一個(gè)合適的應(yīng)用層，但對(duì)于許多的行業(yè)來說，這種方法是不經(jīng)濟(jì)的。一些組織已經(jīng)研究并開放了應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)，以使系統(tǒng)的綜合應(yīng)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、CiA CANOpen協(xié)議 4、ODVA DeviceNet 協(xié)議 5、Honeywell SDS 協(xié)議 6、Kvaser CANKingdom協(xié)議 八、什么是標(biāo)準(zhǔn)格式CAN和擴(kuò)展格式CAN? 標(biāo)準(zhǔn)CAN的標(biāo)志符長度是11位，而擴(kuò)展格式CAN的標(biāo)志符長度可達(dá)29位。CAN 協(xié)議的2.0A版本規(guī)定CAN控制器必須有一個(gè)11位的標(biāo)志符。同時(shí)，在2.0B版本中規(guī)定，CAN控制器的標(biāo)志符長度可以是11位或29位。遵循CAN2.0B協(xié)議的CAN控制器可以發(fā)送和接收11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)格式報(bào)文或29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展格式報(bào)文。如果禁止CAN2.0B,則CAN 控制器只能發(fā)送和接收11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)格式報(bào)文，而忽略擴(kuò)展格式的報(bào)文結(jié)構(gòu)，但不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。 目前，Philips公司主要推廣的CAN獨(dú)立控制器均支持CAN2.0B協(xié)議，即支持29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展格式報(bào)文結(jié)構(gòu)。 九、CAN的報(bào)文格式： (關(guān)于這部分內(nèi)容，對(duì)于我下一步要進(jìn)行編程實(shí)驗(yàn)控制CAN總線是很重要的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。很郁悶的是搜了老半天只看見有文字?jǐn)⑹鲞@部分內(nèi)容的，不僅說得不系統(tǒng)完整，而且遠(yuǎn)沒有貼圖說明來的具體直觀。不過還好，搜到了一份E文版的CAN總線資料，再把這個(gè)資料詳細(xì)看了下，再做了整理，還是用圖來說明CAN傳輸?shù)膱?bào)文格式比較容易理解。老外寫的東西確實(shí)比國內(nèi)的好，這個(gè)不是我吹出來的，有興趣下了看看就知道了，見附件下載。) CAN通信是一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的傳輸協(xié)議，不是基于地址的傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸協(xié)議。當(dāng)一個(gè)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，總線上的其它點(diǎn)都可以為接受方，它們可以通過ID來作出對(duì)總線上傳送數(shù)據(jù)的處理(接收或者丟棄)。并且當(dāng)數(shù)據(jù)被正確接收到以后，接收方便會(huì)作出應(yīng)答響應(yīng)。CAN協(xié)議還有一個(gè)很實(shí)用的功能，就是總線上的任一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以請(qǐng)求其它節(jié)點(diǎn)向其發(fā)送數(shù)據(jù)，這被稱作遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求(RTR)。除此以外，CAN協(xié)議還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)總線新加入一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)無需更改原有的程序，新節(jié)點(diǎn)只要通過ID就可以知道是接收還是丟棄數(shù)據(jù)。 CAN協(xié)議定義了四種不同的幀。 1、數(shù)據(jù)幀，這個(gè)幀被用于當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)把信息傳送給系統(tǒng)的任何其它節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位場(chǎng)組成，即幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、幀結(jié)束。 2、遠(yuǎn)程幀，此幀是基于數(shù)據(jù)幀格式，只要把RTR位設(shè)置成遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求(Remote Transmit Request)，并且沒有數(shù)據(jù)場(chǎng)。總線上發(fā)送此幀后，表示請(qǐng)求接收與該幀ID相符的數(shù)據(jù)幀。遠(yuǎn)程幀由6個(gè)不同的位場(chǎng)組成，即幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、幀結(jié)束。 3、錯(cuò)誤幀，任何單元監(jiān)測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)就發(fā)送錯(cuò)誤幀。錯(cuò)誤幀由兩個(gè)不同的場(chǎng)組成。第一個(gè)場(chǎng)是錯(cuò)誤標(biāo)志，用做為不同站提供錯(cuò)誤標(biāo)志的疊加;第二個(gè)場(chǎng)是錯(cuò)誤界定符。 4、超載幀，節(jié)點(diǎn)需要增加時(shí)間來處理接收到的數(shù)據(jù)時(shí)便發(fā)送過載幀。超載幀包括兩個(gè)位場(chǎng)：超載標(biāo)志和超載界定符。 CAN總線傳輸?shù)钠鹗紟鐖D1。幀起始標(biāo)志數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的起始，由一個(gè)單獨(dú)的“顯性”位(0)組成。由控制芯片完成。 由圖2和圖3可以看到數(shù)據(jù)幀的兩種不同格式，兩種格式的差別只是它們的ID位數(shù)不同。 1、幀起始。 2、仲裁場(chǎng)，仲裁場(chǎng)包括標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位(RTR)。 對(duì)于CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)識(shí)符的長度為11位。RTR位在數(shù)據(jù)幀中必須是顯性位，而在遠(yuǎn)程幀必須為隱性位。 對(duì)于CAN2.0，標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的仲裁場(chǎng)不同。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，仲裁場(chǎng)由11位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位組成。在擴(kuò)展格式中，仲裁場(chǎng)由29位標(biāo)識(shí)符和替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求位(SRR) 、標(biāo)志位(IDE)和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位組成。 仲裁場(chǎng)的作用之一是說明數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀發(fā)送目的地;之二是指出是數(shù)據(jù)幀還是遠(yuǎn)程幀。 3、控制場(chǎng)，控制場(chǎng)由6個(gè)位組成，說明數(shù)據(jù)幀中有效數(shù)據(jù)的長度。標(biāo)準(zhǔn)幀的最高位是IDE位，擴(kuò)展幀的最高位是保留位RB1，它們的次高位都是保留位RB0。低四位是DLC(Data Length Code)位，標(biāo)識(shí)傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)(0-8字節(jié))。 4、數(shù)據(jù)場(chǎng)，數(shù)據(jù)場(chǎng)由數(shù)據(jù)幀中的發(fā)送數(shù)據(jù)組成。它可以為0-8個(gè)字節(jié)。 5、CRC場(chǎng)，CRC場(chǎng)包括CRC序列，這部分由SJA1000控制芯片完成。 6、應(yīng)答場(chǎng)，應(yīng)答場(chǎng)長度為兩個(gè)位，包括應(yīng)答間隙和應(yīng)答界定符。由SJA1000控制芯片自動(dòng)完成。 7、幀結(jié)束，每一個(gè)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀均由一標(biāo)志序列界定，這個(gè)標(biāo)志序列由7個(gè)“隱性”位組成。這部分由SJA1000控制芯片自動(dòng)完成。 仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)由軟件編程配置SJA1000完成;幀起始、CRC場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、幀結(jié)束由CAN總線控制芯片SJA1000自動(dòng)完成。 十、CAN的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè)： 不同于其它總線,CAN協(xié)議不能使用應(yīng)答信息。事實(shí)上,它可以將發(fā)生的任何錯(cuò)誤用信號(hào)發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯(cuò)誤的方法,其中前三種為基于報(bào)文內(nèi)容檢查。 1、循環(huán)冗余檢查(CRC) 在一幀報(bào)文中加入冗余檢查位可保證報(bào)文正確。接收站通過CRC可判斷報(bào)文是否有錯(cuò)。 2、幀檢查 這種方法通過位場(chǎng)檢查幀的格式和大小來確定報(bào)文的正確性,用于檢查格式上的錯(cuò)誤。 3、應(yīng)答錯(cuò)誤 如前所述,被接收到的幀由接收站通過明確的應(yīng)答來確認(rèn)。如果發(fā)送站未收到應(yīng)答,那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯(cuò)誤,也就是說,ACK場(chǎng)已損壞或網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文無站接收。CAN協(xié)議也可通過位檢查的方法探測(cè)錯(cuò)誤。 4、總線檢測(cè) 有時(shí),CAN中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)可監(jiān)測(cè)自己發(fā)出的信號(hào)。因此,發(fā)送報(bào)文的站可以觀測(cè)總線電平并探測(cè)發(fā)送位和接收位的差異。 5、位填充 一幀報(bào)文中的每一位都由不歸零碼表示,可保證位編碼的最大效率。然而,如果在一幀報(bào)文中有太多相同電平的位,就有可能失去同步。為保證同步,同步沿用位填充產(chǎn)生。在五個(gè)生。在五個(gè)連續(xù)相等位后,發(fā)送站自動(dòng)插入一個(gè)與之互補(bǔ)的補(bǔ)碼位;接收時(shí),這個(gè)填充位被自動(dòng)丟掉。例如,五個(gè)連續(xù)的低電平位后,CAN自動(dòng)插入一個(gè)高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯(cuò)誤,如果在一幀報(bào)文中有6個(gè)相同位,CAN就知道發(fā)生了錯(cuò)誤。 如果至少有一個(gè)站通過以上方法探測(cè)到一個(gè)或多個(gè)錯(cuò)誤,它將發(fā)送出錯(cuò)標(biāo)志終止當(dāng)前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯(cuò)誤的報(bào)文,并保證網(wǎng)絡(luò)上報(bào)文的一致性。當(dāng)大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后,發(fā)送站會(huì)自動(dòng)地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。作為規(guī)則,在探測(cè)到錯(cuò)誤后23個(gè)位周期內(nèi)重新開始發(fā)送。在特殊場(chǎng)合,系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間為31個(gè)位周期。 但這種方法存在一個(gè)問題,即一個(gè)發(fā)生錯(cuò)誤的站將導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)被終止,其中也包括正確的數(shù)據(jù)。因此,如果不采取自監(jiān)測(cè)措施,總線系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)。為此,CAN協(xié)議提供一種將偶然錯(cuò)誤從永久錯(cuò)誤和局部站失敗中區(qū)別出來的辦法。這種方法可以通過對(duì)出錯(cuò)站統(tǒng)計(jì)評(píng)估來確定一個(gè)站本身的錯(cuò)誤并進(jìn)入一種不會(huì)對(duì)其它站產(chǎn)生不良影響的運(yùn)行方法來實(shí)現(xiàn),即站可以通過關(guān)閉自己來阻止正常數(shù)據(jù)因被錯(cuò)誤地當(dāng)成不正確的數(shù)據(jù)而被終止。 6、CAN可靠性 為防止汽車在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)交換錯(cuò)誤而對(duì)司機(jī)造成危險(xiǎn),汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃宰銐蚋?或者殘留下來的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤足夠低的話,這一目標(biāo)不難實(shí)現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看,可靠性可以理解為,對(duì)傳輸過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的識(shí)別能力。 殘余數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的概率可以通過對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計(jì)測(cè)量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測(cè)出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯(cuò)誤概率必須非常小,使其在系統(tǒng)整個(gè)壽命周期內(nèi),按平均統(tǒng)計(jì)時(shí)幾乎檢測(cè)不到。計(jì)算殘余錯(cuò)誤概率要求能夠?qū)?shù)據(jù)錯(cuò)誤進(jìn)行分類 ,并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘余錯(cuò)誤概率,我們可將殘留錯(cuò)誤的概率作為具有80～90位的報(bào)文傳送時(shí)位錯(cuò)誤概率的函數(shù),并假定這個(gè)系統(tǒng)中有5～10個(gè)站,并且錯(cuò)誤率為1/1000,那么最大位錯(cuò)誤概率為10—13數(shù)量級(jí)。例如,CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率最大為1Mbps,如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用50%,那么對(duì)于一個(gè)工作壽命4000小時(shí)、平均報(bào)文長度為 80位的系統(tǒng),所傳送的數(shù)據(jù)總量為9×1010。在系統(tǒng)運(yùn)行壽命期內(nèi),不可檢測(cè)的傳輸錯(cuò)誤的統(tǒng)計(jì)平均小于10—2量級(jí)。換句話說,一個(gè)系統(tǒng)按每年365 天,每天工作8小時(shí),每秒錯(cuò)誤率為0. 7計(jì)算,那么按統(tǒng)計(jì)平均,每1000年才會(huì)發(fā)生一個(gè)不可檢測(cè)的錯(cuò)誤。 |
