【文章內容簡介】 系統而設計的，具有物理層，數據鏈路層和應用層三層協議。 CAN 總線專用接口芯片中以固件形式集成了 CAN 協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)冗余校驗、優(yōu)先級判別等多項工作。 CAN 總線播的形式進行通信。 由于采用了許多新技術及獨特的設計，與一般的通信總線相比，具有突出的可靠性、實時性和靈活性，其應用范圍目前己不再局限于汽車行業(yè)。 CAN 現已經形成國際標準，并已被公認為最有前途的現場總線之一。 CAN 具有如一下主要特性： 1. CAN 為多主方式工作，網絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網絡上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無需站地址等節(jié)點信息利用這一特點可方便地構成多機備份系統。 2. CAN網絡上的節(jié)點信息可分為不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，高優(yōu)先級的數據最多可在 134}s 內得到傳輸。 3. CAN 采用無破 壞性的基于優(yōu)先權的總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數據，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網絡負載很重的情況下也不會出現網絡癱瘓情況。 4. CAN 只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳輸數據，無需專門“調度”。 5. CAN 的直接通信距離最遠可達 l 0km(速率 5kbps 以下 )，通信速率最高可達 1 Mbps(通信距離最長為 40m )。 6. CAN 上的節(jié)點數主要取決于總線驅動電路，可達 110 個 。報文標識符口可達 2032 種()，而擴展標準 (CAN2. 0B)的報文標識符幾乎不受限制。 7. CAN 采用短幀結構，傳輸時問短，受干擾的概率低，具有極好的檢錯結果。 8. CAN 的每幀信息都有 CRC 校驗及其它檢錯措施，保證了數據出錯率極低 9. CAN 的通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。 10. CAN 節(jié)點在錯誤嚴重的情況時，具有自動關閉功能，以切斷該節(jié)點與總線的聯系，使總線上的其它節(jié)點及其通信不受影響，抗干擾能力強，可靠性高。 2. 2 CAN 總線技術規(guī)范 由于 CAN 總線在不同領域內的應用和推廣， 故要求對其通信格式標準化。為此， 1991 9 年 9 月 Philips Semiconductors 制定并發(fā)布了 CAN 技術規(guī)范 ( Version2. 0。該技術規(guī)范包括 A 和 B 兩部分， 2. OA 給出了 CAN 報文標準格式， 2. 0B 給出了標準的和擴展的兩種格式。 1993 年 11 月 ISO 正式頒布了道路交通運輸工具一數據信息交換一高速通信控制器局域網 (CAN)國際標準 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線組成，分別為 CANH和 CANL，這兩根導線也就是 CAN網絡中的總 線。網絡中所有的節(jié)點都掛接在該總線上，并且都通過這兩根導線交換數據。 總線上某一時刻顯現的數值山兩根導線上電壓 CAN LV ? 和 CAN HV ? 的差值表示。該差分電壓 diffV 可表示“顯性”和“隱性”兩種互補的邏輯數值。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 則大于一個最小閡值。在 CAN 總線標準通信協議中規(guī)定“顯性”表示邏輯 0，而“隱性”則表示邏輯“ 1 “ 0 當在總線上存在“顯性”位和“隱性”位同時發(fā)送時，節(jié)點發(fā)送驅動電路的設計使得總線數值表現為“顯性”。在總線空閑位期間，總線表現“隱性”狀態(tài) (即邏輯 1) o“顯性”狀態(tài)改寫“隱性”狀態(tài)啟動發(fā)送并進行各節(jié)點之間的同步。 CAN 總線上的數據按位串行傳輸，其傳輸速率可高達 1Mbps，在速率為 5Kbps 時傳輸距離可為達 l0km，在速率為 1 Mbps 時的傳輸距離為 40m。當然，掛接在同一條總線上的所有節(jié)點都必須采 用相同的傳輸速率。 CAN 總線系統內的兩個任意節(jié)點之間的最大傳輸距離與位速率有關。兩節(jié)點間的最大距離如表 1一 1所示。 10 2. 2. 2 CAN 總線的分層結構 CAN 按照開放系統互連 (OSI)基本參考模式 (IS07498 )實現了一種簡化的 OSI 模型，它只具有 OSI 七個層次中的兩層 :數據鏈路層和物理層。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 總線系統的開發(fā)者在軟件上主要進行應用層的工作。數據鏈路層和物理層的具體結構如圖 2. 2 所示。 數據鏈路層 按照 IEEE 802. 2 和 802. 3 標準，數據鏈路層又劃分為 : 邏輯鏈路控制 (LLCLogic LinkControl) 媒體訪問控制 (MAC Medium Access Control) 在 CAN 技術規(guī)范 2. OA 版本中， LLC 和 MAC 子層的服務和功能被描述為 “目標層”和“傳送層”。 (LLC)子層 LLC子層的主要功能是 :幀接收濾波、超載通告和恢復管理。 1) 幀接收濾波 :在 LLC 子層仁開始的幀躍變是獨立的，其自身操作與先前的幀躍變無關。幀內容由標識符命名。標識符并不能指明幀的目的地 ，但描述數據的含義，每個接收器通過接收濾波確定此幀與其是否有關。 2) 超載通告 :如果接收器內部條件要求延遲下一個 LLC 數據幀或 LLC 遠程幀，則通過LLC 子層開始發(fā)送超載幀。最多可產生兩個超載幀，以延遲下一個數據幀或遠程幀。 3) 恢復管理 :發(fā)送期間，對于丟失仲裁或被錯誤干擾的幀， LLC 子層具有自動重發(fā)送功能，在發(fā)送成功完成前，幀發(fā)送服務不被用戶認可。 (MAC)子層 按照 IEEE 802. 3 標準， sac 子層劃分為完全獨立工作的兩個部分 :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)送數據封裝 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 標準規(guī)范，物理層又劃分為 : (PMAPhysical Medium Attachment )，實現總線發(fā)送 /接收的功能電路并可提供總線故障檢測方法。 (MDIMedium Dependent Interface)，實現物理媒體與媒體訪問單元 11 (MAUMedium Access Unit )之間機械和電氣接 口。 MAU 表示用于偶合節(jié)點至發(fā)送媒體的物理層的功能部分，由 PMA 和 MDI 構成。 (PLSPhysical Signalling )，實現與位表示、定時和同步相關的功能。 位表示、定時確定了正常位時間，正常位時間二同步段 (Tsyncseg)十時間段 Tseg 1)+時間段 2 C Tseg2 )。同步段對應一個系統時鐘周期。時間段 1 由補償傳播延遲的時間段和直接采樣點前同步緩沖段組成，決定了定位周期內采樣點的位置 — 一位于時間段 1的結束。時間段 2 提供采樣點上的附加時間以計算后續(xù)位電平以及采樣點后的直接同 步緩沖段。時間段 1 和時間段 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，它將到來沿同其實際位定時進行比較，并通過同步適配位定時。同步包括硬同步和重同步兩種。 硬同步僅發(fā)生在報文的開始。硬同步后，位時間由每個定時邏輯單元從同步段重新啟動。因此，硬同步強迫引起硬同步的邊沿處于重新啟動位時間的同步段內。 重同步發(fā)生在報文位流發(fā)送期間，以補償個別 CAN 控制器振蕩頻率的變化以及由于從一個發(fā)送器轉至另一個發(fā)送器引入的變化。重同步的結果是時間段 1 被延長或時間段 2被縮短，這兩個時 間段的延長或縮短的總和上限由重同步跳轉寬度給定。當引起重同步沿的相位誤差幅值小于或等于重同步跳轉寬度編程值時，重同步的作用與硬同步相同 :當相位誤差幅值大于重同步跳轉寬度，且相位誤差為正時，則時間段 1 延長總數為重同步跳轉寬度 :當相位誤差幅值大于重同步跳轉寬度且相位誤差為負時，則時間段 2 縮短總數為重同步跳轉寬度。 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) 在一個位時間內僅允許一種同步。 2) 只要在先前采樣點檢測到的數值 (先前讀的總線數值 )不同于邊沿后即現的總線數值，邊沿將被用于同步。 3) 在 總線空閑期間，當存在一個“隱性”至“顯性”的跳變沿時，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)點將不執(zhí)行重同步。 2. 2. 3 CAN 總線報文傳送及其幀結構 在進行數據傳送時，發(fā)出報文的單元稱為該報文的發(fā)送器，該單元在總線 空閑或丟失仲裁前恒為發(fā)送器。如果一個單元不是報文發(fā)送器，且總線不處于 空閑狀態(tài)，則該單元為接收器。對于報文發(fā)送 器和接收器，報文的實際有效時刻是不同的。對于發(fā)送器而言，如果直到幀結束一直未出錯，則對于發(fā)送器報文有效。如果報文受損，將允許按照優(yōu)先權順序自動重發(fā)送。為了能同其它報文進行總線訪問競爭，總線一旦空閑， 12 重發(fā)送立即開始。對于接收器而言，如果直到幀結束一直未出錯，則對于接收器報文有效。 在 CAN 中報文是以幀為單位進行傳送的，在 CAN 技術規(guī)范中，規(guī)定了總線上傳輸的四種幀類型 : 1. 攜帶數據由發(fā)送器至接收器 。 2. 請求發(fā)送具有相同標識符的數據幀 。 3. 由檢測出總線錯誤的任何單元發(fā)送 。 4. 用于提供當前的和后續(xù)的數據幀和遠程幀之間的附加 延遲。 數據幀由 7 個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數據場、 CRC 場、 ACK場和幀結束。數據幀組成表 2. 1 所示。 在 CAN 技術規(guī)范 2. OA 中規(guī)定了標準數據幀的格式 。而在 2. 0B 中則規(guī)定了兩種格式 :標準格式和擴展格式，兩種格式的控制場、數據場是有區(qū)別的， 如表 2. 2 和表 2. 3 所示。 1) 幀起始 (SOF)標志數據幀和遠程幀的起始，它僅由一個“顯性”位構成。只有當總線處于空閑狀態(tài)時，刁一允許節(jié)點開始發(fā)送，所有節(jié)點必須都同步于首先開始發(fā)送的那個節(jié)點的幀起始前沿。 2) 仲裁 場仲裁場在標準格式和擴展格式中是不同的。在標準格式中，仲裁場由 11位標識符和遠程發(fā)送請求 (RTR)位組成 。在擴展格式中，仲裁場由 29 位標識符、替代遠程請求位 (SRR)、標識位和遠程發(fā)送請求位 (RTR)組成。 13 3) 控制場控制場由 6 位組成，在標準格式和擴展格式中是不同的。在標準格式中，一幀包括數據長度碼，發(fā)送“顯性”電平的 IDE 位和保留位 R0。在擴展格式中，一幀包括數據長度碼和兩個保留位 RI, RO，這兩個保留位必須發(fā)送“顯性”電平。數據長度碼指明數據場的字節(jié)數目，可由 0 至 8 變化。 4) 數據場由數據幀中被 發(fā)送的數據組成，可包括從 0 至 8 個字節(jié)，每個字節(jié) 8 位，首先發(fā)送的是最高有效位二 5) CRC 場包括 CRC 序列和 CRC 界定符，如圖 所示。 CRC 界定符 必須是“隱性” 6) 應答場 所示。應答場 (ACK)為兩位，包括應答間隙和應答界定符。如圖 在應答場中，發(fā)送器送出兩個“隱性”位。一個正確地接收到有效報文的接收器，在應答間隙，將此信息通過傳送一個“顯性”位報告給發(fā)送器。所有接收到匹配 CRC序列的節(jié)點，通過在應答間隙內把“顯性”位寫入發(fā)送器的“隱性”位來報告。應答界定符是應答場的第二位，并且必須是 “隱性”位，因此，應答間隙被兩個“隱性”位 ICRC 界定符和應答界定符 )包圍。 7 ) 結束幀每個數據幀和遠程幀均由 7個“隱性”位組成的幀結束標志序列界定。 2. 遠程幀 當一個節(jié)點希望接收某些信息時，可以借助于傳送一個遠程幀啟動信息源的數據發(fā)送。遠程幀由 6個位場組成 :幀起始，仲裁場，控制場， CRC 場，場和幀結束。遠程幀組成表 2. 4 所示。 14 與數據幀相反，遠程幀的數據場，數據長度碼是獨立的 RTR 位為“ 1(總線上為隱性電平 )，并且沒有它可其它場與數據場相同。 3. 出錯幀 1) 錯誤檢測 CAN 的 MAC 子層可 以檢測位錯誤、填充錯誤、 CRC 錯誤、形式錯誤、應答錯誤五種錯誤。 ? 位錯誤 正在向總線發(fā)出一位的節(jié)點同時在監(jiān)測總線，當監(jiān)測到的位 值與送出的位數值不同時，則檢測出位錯誤。但在仲裁場期間例外。 ? 填充錯誤 在填充方法進行編碼的帖場中，出現了第 6 個連續(xù)相同的位電平時，則檢測出填充錯誤。 ? CRC 錯誤 CRC 序列由發(fā)送器的 CRC 計算結果組成，接收器以發(fā)送器相同的方法計算CRC，如果計算結果與接收到的 CRC 序列不相同，則檢測出 CRC 錯誤。 ? 形式錯誤 當固定格式的位場中出現一個或多個非法位時，則檢測出形式錯誤。 ? 應 答錯誤 在應答間隙期間，發(fā)送器未檢測到“顯性”位時，則檢測出應答錯誤。 2) 出錯幀組成 當任一節(jié)點檢測到五種錯誤中的一種錯誤，就發(fā)出一個出錯幀。出錯幀由兩個場組成，第一個場由來自各站的錯誤標志疊加得到，第二個場是出錯界定符。如圖 1