【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，具有物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層協(xié)議。 CAN 總線專用接口芯片中以固件形式集成了 CAN 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能 :可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等多項(xiàng)工作。 CAN 總線播的形式進(jìn)行通信。 由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，其應(yīng)用范圍目前己不再局限于汽車行業(yè)。 CAN 現(xiàn)已經(jīng)形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 CAN 具有如一下主要特性： 1. CAN 為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無需站地址等節(jié)點(diǎn)信息利用這一特點(diǎn)可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)。 2. CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息可分為不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)最多可在 134}s 內(nèi)得到傳輸。 3. CAN 采用無破 壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。 4. CAN 只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳輸數(shù)據(jù)，無需專門“調(diào)度”。 5. CAN 的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) l 0km(速率 5kbps 以下 )，通信速率最高可達(dá) 1 Mbps(通信距離最長(zhǎng)為 40m )。 6. CAN 上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，可達(dá) 110 個(gè) 。報(bào)文標(biāo)識(shí)符口可達(dá) 2032 種()，而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn) (CAN2. 0B)的報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制。 7. CAN 采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)問短，受干擾的概率低，具有極好的檢錯(cuò)結(jié)果。 8. CAN 的每幀信息都有 CRC 校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低 9. CAN 的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。 10. CAN 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。 2. 2 CAN 總線技術(shù)規(guī)范 由于 CAN 總線在不同領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用和推廣， 故要求對(duì)其通信格式標(biāo)準(zhǔn)化。為此， 1991 9 年 9 月 Philips Semiconductors 制定并發(fā)布了 CAN 技術(shù)規(guī)范 ( Version2. 0。該技術(shù)規(guī)范包括 A 和 B 兩部分， 2. OA 給出了 CAN 報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)格式， 2. 0B 給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種格式。 1993 年 11 月 ISO 正式頒布了道路交通運(yùn)輸工具一數(shù)據(jù)信息交換一高速通信控制器局域網(wǎng) (CAN)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISOI 1898。 2. 2. 1 CAN 總線的電氣特性 CAN 總線的通信線路由兩根導(dǎo)線組成，分別為 CANH和 CANL，這兩根導(dǎo)線也就是 CAN網(wǎng)絡(luò)中的總 線。網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都掛接在該總線上，并且都通過這兩根導(dǎo)線交換數(shù)據(jù)。 總線上某一時(shí)刻顯現(xiàn)的數(shù)值山兩根導(dǎo)線上電壓 CAN LV ? 和 CAN HV ? 的差值表示。該差分電壓 diffV 可表示“顯性”和“隱性”兩種互補(bǔ)的邏輯數(shù)值。如圖 所示。在“隱性”狀態(tài)下，差分電壓 diffV 近似為 Do“顯性”狀態(tài) diffV 則大于一個(gè)最小閡值。在 CAN 總線標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議中規(guī)定“顯性”表示邏輯 0，而“隱性”則表示邏輯“ 1 “ 0 當(dāng)在總線上存在“顯性”位和“隱性”位同時(shí)發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)使得總線數(shù)值表現(xiàn)為“顯性”。在總線空閑位期間，總線表現(xiàn)“隱性”狀態(tài) (即邏輯 1) o“顯性”狀態(tài)改寫“隱性”狀態(tài)啟動(dòng)發(fā)送并進(jìn)行各節(jié)點(diǎn)之間的同步。 CAN 總線上的數(shù)據(jù)按位串行傳輸，其傳輸速率可高達(dá) 1Mbps，在速率為 5Kbps 時(shí)傳輸距離可為達(dá) l0km，在速率為 1 Mbps 時(shí)的傳輸距離為 40m。當(dāng)然，掛接在同一條總線上的所有節(jié)點(diǎn)都必須采 用相同的傳輸速率。 CAN 總線系統(tǒng)內(nèi)的兩個(gè)任意節(jié)點(diǎn)之間的最大傳輸距離與位速率有關(guān)。兩節(jié)點(diǎn)間的最大距離如表 1一 1所示。 10 2. 2. 2 CAN 總線的分層結(jié)構(gòu) CAN 按照開放系統(tǒng)互連 (OSI)基本參考模式 (IS07498 )實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)化的 OSI 模型，它只具有 OSI 七個(gè)層次中的兩層 :數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。這兩層一般固化在專用的 CAN 總線接口芯片和微處理器中。 CAN 總線系統(tǒng)的開發(fā)者在軟件上主要進(jìn)行應(yīng)用層的工作。數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的具體結(jié)構(gòu)如圖 2. 2 所示。 數(shù)據(jù)鏈路層 按照 IEEE 802. 2 和 802. 3 標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為 : 邏輯鏈路控制 (LLCLogic LinkControl) 媒體訪問控制 (MAC Medium Access Control) 在 CAN 技術(shù)規(guī)范 2. OA 版本中， LLC 和 MAC 子層的服務(wù)和功能被描述為 “目標(biāo)層”和“傳送層”。 (LLC)子層 LLC子層的主要功能是 :幀接收濾波、超載通告和恢復(fù)管理。 1) 幀接收濾波 :在 LLC 子層仁開始的幀躍變是獨(dú)立的，其自身操作與先前的幀躍變無關(guān)。幀內(nèi)容由標(biāo)識(shí)符命名。標(biāo)識(shí)符并不能指明幀的目的地 ，但描述數(shù)據(jù)的含義，每個(gè)接收器通過接收濾波確定此幀與其是否有關(guān)。 2) 超載通告 :如果接收器內(nèi)部條件要求延遲下一個(gè) LLC 數(shù)據(jù)幀或 LLC 遠(yuǎn)程幀，則通過LLC 子層開始發(fā)送超載幀。最多可產(chǎn)生兩個(gè)超載幀，以延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀。 3) 恢復(fù)管理 :發(fā)送期間，對(duì)于丟失仲裁或被錯(cuò)誤干擾的幀， LLC 子層具有自動(dòng)重發(fā)送功能，在發(fā)送成功完成前，幀發(fā)送服務(wù)不被用戶認(rèn)可。 (MAC)子層 按照 IEEE 802. 3 標(biāo)準(zhǔn)， sac 子層劃分為完全獨(dú)立工作的兩個(gè)部分 :發(fā)送部分和接收部分，如圖 2. 3 所示。 發(fā)送部分功 能包括 : a. 發(fā)送數(shù)據(jù)封裝 b. 發(fā)送媒體訪問管理 2)接收部分功能包括 : 2. 2. 2. 2 物理層 按照 IEEE LAN 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，物理層又劃分為 : (PMAPhysical Medium Attachment )，實(shí)現(xiàn)總線發(fā)送 /接收的功能電路并可提供總線故障檢測(cè)方法。 (MDIMedium Dependent Interface)，實(shí)現(xiàn)物理媒體與媒體訪問單元 11 (MAUMedium Access Unit )之間機(jī)械和電氣接 口。 MAU 表示用于偶合節(jié)點(diǎn)至發(fā)送媒體的物理層的功能部分，由 PMA 和 MDI 構(gòu)成。 (PLSPhysical Signalling )，實(shí)現(xiàn)與位表示、定時(shí)和同步相關(guān)的功能。 位表示、定時(shí)確定了正常位時(shí)間，正常位時(shí)間二同步段 (Tsyncseg)十時(shí)間段 Tseg 1)+時(shí)間段 2 C Tseg2 )。同步段對(duì)應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。時(shí)間段 1 由補(bǔ)償傳播延遲的時(shí)間段和直接采樣點(diǎn)前同步緩沖段組成，決定了定位周期內(nèi)采樣點(diǎn)的位置 — 一位于時(shí)間段 1的結(jié)束。時(shí)間段 2 提供采樣點(diǎn)上的附加時(shí)間以計(jì)算后續(xù)位電平以及采樣點(diǎn)后的直接同 步緩沖段。時(shí)間段 1 和時(shí)間段 2由 CAN 控制器的 BTRO 和 BTR1 通過編程決定。 CAN 總線的同步也是由物理信令完成的，它將到來沿同其實(shí)際位定時(shí)進(jìn)行比較，并通過同步適配位定時(shí)。同步包括硬同步和重同步兩種。 硬同步僅發(fā)生在報(bào)文的開始。硬同步后，位時(shí)間由每個(gè)定時(shí)邏輯單元從同步段重新啟動(dòng)。因此，硬同步強(qiáng)迫引起硬同步的邊沿處于重新啟動(dòng)位時(shí)間的同步段內(nèi)。 重同步發(fā)生在報(bào)文位流發(fā)送期間，以補(bǔ)償個(gè)別 CAN 控制器振蕩頻率的變化以及由于從一個(gè)發(fā)送器轉(zhuǎn)至另一個(gè)發(fā)送器引入的變化。重同步的結(jié)果是時(shí)間段 1 被延長(zhǎng)或時(shí)間段 2被縮短，這兩個(gè)時(shí) 間段的延長(zhǎng)或縮短的總和上限由重同步跳轉(zhuǎn)寬度給定。當(dāng)引起重同步沿的相位誤差幅值小于或等于重同步跳轉(zhuǎn)寬度編程值時(shí)，重同步的作用與硬同步相同 :當(dāng)相位誤差幅值大于重同步跳轉(zhuǎn)寬度，且相位誤差為正時(shí)，則時(shí)間段 1 延長(zhǎng)總數(shù)為重同步跳轉(zhuǎn)寬度 :當(dāng)相位誤差幅值大于重同步跳轉(zhuǎn)寬度且相位誤差為負(fù)時(shí)，則時(shí)間段 2 縮短總數(shù)為重同步跳轉(zhuǎn)寬度。 硬同步和重同步是同步的兩種形式，它們遵從下列規(guī)則 : 1) 在一個(gè)位時(shí)間內(nèi)僅允許一種同步。 2) 只要在先前采樣點(diǎn)檢測(cè)到的數(shù)值 (先前讀的總線數(shù)值 )不同于邊沿后即現(xiàn)的總線數(shù)值，邊沿將被用于同步。 3) 在 總線空閑期間，當(dāng)存在一個(gè)“隱性”至“顯性”的跳變沿時(shí)，則執(zhí)行一次硬同步。 4) 所有履行以上規(guī)則 1 和 2 的其他“隱性”至“顯性”跳變沿都將被用于重同步。例外情況是，對(duì)于具有正相位誤差的“隱性”至“顯性”的跳變沿，只要“隱性”至“顯性”的跳變沿被用于重同步，發(fā)送顯性位的節(jié)點(diǎn)將不執(zhí)行重同步。 2. 2. 3 CAN 總線報(bào)文傳送及其幀結(jié)構(gòu) 在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，發(fā)出報(bào)文的單元稱為該報(bào)文的發(fā)送器，該單元在總線 空閑或丟失仲裁前恒為發(fā)送器。如果一個(gè)單元不是報(bào)文發(fā)送器，且總線不處于 空閑狀態(tài)，則該單元為接收器。對(duì)于報(bào)文發(fā)送 器和接收器，報(bào)文的實(shí)際有效時(shí)刻是不同的。對(duì)于發(fā)送器而言，如果直到幀結(jié)束一直未出錯(cuò)，則對(duì)于發(fā)送器報(bào)文有效。如果報(bào)文受損，將允許按照優(yōu)先權(quán)順序自動(dòng)重發(fā)送。為了能同其它報(bào)文進(jìn)行總線訪問競(jìng)爭(zhēng)，總線一旦空閑， 12 重發(fā)送立即開始。對(duì)于接收器而言，如果直到幀結(jié)束一直未出錯(cuò)，則對(duì)于接收器報(bào)文有效。 在 CAN 中報(bào)文是以幀為單位進(jìn)行傳送的，在 CAN 技術(shù)規(guī)范中，規(guī)定了總線上傳輸?shù)乃姆N幀類型 : 1. 攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器至接收器 。 2. 請(qǐng)求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀 。 3. 由檢測(cè)出總線錯(cuò)誤的任何單元發(fā)送 。 4. 用于提供當(dāng)前的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀之間的附加 延遲。 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)、 ACK場(chǎng)和幀結(jié)束。數(shù)據(jù)幀組成表 2. 1 所示。 在 CAN 技術(shù)規(guī)范 2. OA 中規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的格式 。而在 2. 0B 中則規(guī)定了兩種格式 :標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式，兩種格式的控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)是有區(qū)別的， 如表 2. 2 和表 2. 3 所示。 1) 幀起始 (SOF)標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，它僅由一個(gè)“顯性”位構(gòu)成。只有當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，刁一允許節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送，所有節(jié)點(diǎn)必須都同步于首先開始發(fā)送的那個(gè)節(jié)點(diǎn)的幀起始前沿。 2) 仲裁 場(chǎng)仲裁場(chǎng)在標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式中是不同的。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 (RTR)位組成 。在擴(kuò)展格式中，仲裁場(chǎng)由 29 位標(biāo)識(shí)符、替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求位 (SRR)、標(biāo)識(shí)位和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位 (RTR)組成。 13 3) 控制場(chǎng)控制場(chǎng)由 6 位組成，在標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式中是不同的。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，一幀包括數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼，發(fā)送“顯性”電平的 IDE 位和保留位 R0。在擴(kuò)展格式中，一幀包括數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼和兩個(gè)保留位 RI, RO，這兩個(gè)保留位必須發(fā)送“顯性”電平。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼指明數(shù)據(jù)場(chǎng)的字節(jié)數(shù)目，可由 0 至 8 變化。 4) 數(shù)據(jù)場(chǎng)由數(shù)據(jù)幀中被 發(fā)送的數(shù)據(jù)組成，可包括從 0 至 8 個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié) 8 位，首先發(fā)送的是最高有效位二 5) CRC 場(chǎng)包括 CRC 序列和 CRC 界定符，如圖 所示。 CRC 界定符 必須是“隱性” 6) 應(yīng)答場(chǎng) 所示。應(yīng)答場(chǎng) (ACK)為兩位，包括應(yīng)答間隙和應(yīng)答界定符。如圖 在應(yīng)答場(chǎng)中，發(fā)送器送出兩個(gè)“隱性”位。一個(gè)正確地接收到有效報(bào)文的接收器，在應(yīng)答間隙，將此信息通過傳送一個(gè)“顯性”位報(bào)告給發(fā)送器。所有接收到匹配 CRC序列的節(jié)點(diǎn)，通過在應(yīng)答間隙內(nèi)把“顯性”位寫入發(fā)送器的“隱性”位來報(bào)告。應(yīng)答界定符是應(yīng)答場(chǎng)的第二位，并且必須是 “隱性”位，因此，應(yīng)答間隙被兩個(gè)“隱性”位 ICRC 界定符和應(yīng)答界定符 )包圍。 7 ) 結(jié)束幀每個(gè)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀均由 7個(gè)“隱性”位組成的幀結(jié)束標(biāo)志序列界定。 2. 遠(yuǎn)程幀 當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望接收某些信息時(shí)，可以借助于傳送一個(gè)遠(yuǎn)程幀啟動(dòng)信息源的數(shù)據(jù)發(fā)送。遠(yuǎn)程幀由 6個(gè)位場(chǎng)組成 :幀起始，仲裁場(chǎng)，控制場(chǎng)， CRC 場(chǎng)，場(chǎng)和幀結(jié)束。遠(yuǎn)程幀組成表 2. 4 所示。 14 與數(shù)據(jù)幀相反，遠(yuǎn)程幀的數(shù)據(jù)場(chǎng)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼是獨(dú)立的 RTR 位為“ 1(總線上為隱性電平 )，并且沒有它可其它場(chǎng)與數(shù)據(jù)場(chǎng)相同。 3. 出錯(cuò)幀 1) 錯(cuò)誤檢測(cè) CAN 的 MAC 子層可 以檢測(cè)位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、 CRC 錯(cuò)誤、形式錯(cuò)誤、應(yīng)答錯(cuò)誤五種錯(cuò)誤。 ? 位錯(cuò)誤 正在向總線發(fā)出一位的節(jié)點(diǎn)同時(shí)在監(jiān)測(cè)總線，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的位 值與送出的位數(shù)值不同時(shí)，則檢測(cè)出位錯(cuò)誤。但在仲裁場(chǎng)期間例外。 ? 填充錯(cuò)誤 在填充方法進(jìn)行編碼的帖場(chǎng)中，出現(xiàn)了第 6 個(gè)連續(xù)相同的位電平時(shí)，則檢測(cè)出填充錯(cuò)誤。 ? CRC 錯(cuò)誤 CRC 序列由發(fā)送器的 CRC 計(jì)算結(jié)果組成，接收器以發(fā)送器相同的方法計(jì)算CRC，如果計(jì)算結(jié)果與接收到的 CRC 序列不相同，則檢測(cè)出 CRC 錯(cuò)誤。 ? 形式錯(cuò)誤 當(dāng)固定格式的位場(chǎng)中出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)非法位時(shí)，則檢測(cè)出形式錯(cuò)誤。 ? 應(yīng) 答錯(cuò)誤 在應(yīng)答間隙期間，發(fā)送器未檢測(cè)到“顯性”位時(shí)，則檢測(cè)出應(yīng)答錯(cuò)誤。 2) 出錯(cuò)幀組成 當(dāng)任一節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到五種錯(cuò)誤中的一種錯(cuò)誤，就發(fā)出一個(gè)出錯(cuò)幀。出錯(cuò)幀由兩個(gè)場(chǎng)組成，第一個(gè)場(chǎng)由來自各站的錯(cuò)誤標(biāo)志疊加得到，第二個(gè)場(chǎng)是出錯(cuò)界定符。如圖 1