【正文】 再行處理。 CAN 的工作原理 當 CAN 總線上的一個節(jié)點 (站 )發(fā)送數(shù)據(jù)時 ， 它以報文形式廣播給網(wǎng)絡中所有節(jié)點。對每個節(jié)點來說 ， 無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的 ， 都對其進行接收。每組報文開頭的 11 位字符為標識符 ， 定義了報文的優(yōu)先級 ， 這種報文格式稱為面向內容的編址方案 [9]。在同一系統(tǒng)中標識符是唯一的 ， 不可能有兩 個站發(fā)送具有相同標識符的報文。當幾個站競爭總線讀取時 ， 這種配置十分重要。 圖 CAN 總線應用系統(tǒng) 當一個站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時 ， 該站的 CPU 將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己主機 CAN 控制器 CAN 收發(fā)器 CAN 收發(fā)器 CAN 控制器 CAN 收發(fā)器 CAN 控制器 節(jié)點 1 節(jié)點 2 CAN 收發(fā)器 CAN 控制器 節(jié)點 3 CANBus 工學學士論文 硬件設計與選型 的標識符傳送給本站的 CAN 芯片 ， 并處于準備狀態(tài) ； 當它收到總線分配時 ，轉為發(fā)送報文狀態(tài)。 CAN 芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出 ，這時網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的站對接收到的報文進行檢測 ， 判斷這些報文是否是發(fā)給自己的 ， 以確定是否接收它。 由于 CAN 總線是一種面向內容 的編址方案 ， 因此很容易建立高水準的控制系統(tǒng)并靈活地進行配置。我們可以很容易地在 CAN 總線中加進一些新站而無需在硬件或軟件上進行修改。當所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設備時 ，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化 ，即總線上控制器需要測量數(shù)據(jù)時 ， 可由網(wǎng)上獲得 ， 而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。 位仲裁 要對數(shù)據(jù)進行實時處理 ， 就必須將數(shù)據(jù)快速傳送 ， 這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時 ， 要求快速地進行總線分配。實時處理通過網(wǎng)絡交換的緊急數(shù)據(jù)有較大 的不同。一個快速變化的物理量 ， 如汽車引擎負載 ， 將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數(shù)據(jù)并要求更短的延時。 CAN 總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送 ， 報文的優(yōu)先級結合在 11 位標識符中 ， 具有最低二進制數(shù)的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設計時被確立后就不能再被更改。總線讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖 所示 ， 當幾個站同時發(fā)送報文時 ， 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 位進行比較時 ， 站 1 的報文被丟掉 ， 因為它的第 3 位為高 ， 而其它兩個站的報文第 3 位為低。站 2 和站 3 報文的 6位相同 ， 直到第 7 位時 ， 站 3 的報文才被丟失。注意 ， 總線中的信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權的站的報文。在此例中 ， 站 2 的報文被跟蹤。這 工學學士論文 硬件設計與選型 種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點在于 ， 在網(wǎng)絡最終確定哪一個站的報文被傳送以前 ， 報文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡上傳送了。所有未獲得總線讀取權的站都成為具有最高優(yōu)先權報文的接收站 ，并且不會在總線再次空閑前發(fā)送 。 CAN 具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用 ， 這些請求是根據(jù)報文在整個系 統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡負載較重時有很多優(yōu)點 ， 因為總線讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了 ， 這可以保證在實時系統(tǒng)中較低的個體隱伏時間。 對于主站的可靠性 ， 由于 CAN 協(xié)議執(zhí)行非集中化總線控制 ， 所有主要通信 ， 包括總線讀取 (許可 )控制 ， 在系統(tǒng)中分幾次完成。這是實現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。 CAN 的報文格式 在總線中傳送的報文 ， 每幀由 7 部分組成。 CAN 協(xié)議支持兩種報文格式 ，其唯一 不同是標識符 (ID)長度不同 ， 標準格式 11 位 ， 擴展格式 29 位。 在標準格式中 ， 報文的起始位稱為 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。 RTR 位標明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀 ， 在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。 控制場包括標識符擴展位 (IDE)， 指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro)， 為將來擴展使用。它的最后四個字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度 (DLC)。數(shù)據(jù)場范圍為 0～ 8 個字節(jié) ， 其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查 (CRC)。 應答場 (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)絡中至少有一個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 ，如果這時沒有站進行總線存取 ， 總線將處于空閑狀態(tài)。 工學學士論文 硬件設計與選型 數(shù)據(jù)錯誤檢測 不同于其它總線 ， CAN 協(xié)議不能使用應答信息。事實上 ， 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。 1)循環(huán)冗余檢查 (CRC) 在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文正確。接收站通過 CRC 可判斷報文是否有錯。 2)幀檢查 這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確 定報文的正確性 ， 用于檢查格式上的錯誤。 3)應答錯誤 如前所述 ， 被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發(fā)送站未收到應答 ， 那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯誤 ， 也就是說 ， ACK 場已損壞或網(wǎng)絡中的報文無站接收。 CAN 協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯誤。 4)總線檢測 有時 ， CAN 中的一個節(jié)點可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。因此 ， 發(fā)送報文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。 5)位填充 一幀報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。在五個連續(xù)相等位后 ， 發(fā)送站自動插入一個與之互補的補碼位 ； 接收時 ， 這個填充位被自動丟掉。例如 ， 五個連續(xù)的低電平位后 ， CAN 自動插入一個高電平位。 CAN 通過這種編碼規(guī)則檢查錯誤 ， 如果在一幀報文中有 6 個相同位 ， CAN 就知道發(fā)生了錯誤。 如果至少有一個站通過以上方法探測到一個或多個錯誤 ， 它將發(fā)送出錯工學學士論文 硬件設計與選型 標志終止當前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文 ， 并保證網(wǎng)絡上報文的一致性。當大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后 ， 發(fā)送站會自動地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。作為規(guī)則 ， 在探測到錯誤后 23 個位周期內重新開始發(fā)送。在特殊場合 ， 系統(tǒng)的恢復時間為 31 個位周期。 但這種方法存在一個問題 ， 即一個發(fā)生錯誤的站將導致所有數(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)測措施 ， 總線系統(tǒng)應采用模塊化設計。為此 ， CAN 協(xié)議提供一種將偶然錯誤從永久錯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出錯站統(tǒng)計評估來確定一個站本身的錯誤并進入一種不會對其它站產(chǎn)生不良影響的運行方法來實現(xiàn) ，即站可以通過關閉自己來阻止正常數(shù)據(jù)因被 錯誤地 當成 不正確 的數(shù)據(jù)而被終止。 CAN 的可靠性 為防止汽車在使用壽命期內由于數(shù)據(jù)交換錯誤而對司機造成危險 ， 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)錯誤足夠低的話 ， 這一目標不難實現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看 ， 可靠性可以理解為對傳輸產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯誤的識別能力。 殘余數(shù)據(jù)錯誤的概率可以通過對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計測量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯誤概率必須非常小 ， 使其在系統(tǒng)整個壽命周期內 ， 按平均統(tǒng)計時幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠對數(shù)據(jù)錯誤進行分類 ， 并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定 CAN 的殘余錯誤概率 ， 我們可將殘留錯 誤的概率作為具有 80～ 90 位的報文傳送時位錯誤概率的函數(shù) ， 并假定這個系統(tǒng)中有5～ 10 個站 ， 并且錯誤率為 1/1000， 那么最大位錯誤概率為 1013 數(shù)量級。例如 ， CAN 網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸率最大為 1Mbps， 如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用50%， 那么對于一個工作壽命 4000 小時、平均報文長度為 80 位的系統(tǒng) ， 所工學學士論文 硬件設計與選型 傳送的數(shù)據(jù)總量為 91010。在系統(tǒng)運行壽命期內 ， 不可檢測的傳輸錯誤的統(tǒng)計平均小于 102 數(shù) 量級 。換句話說 ， 一個系統(tǒng)按每年 365 天 ， 每天工作 8小時 ， 每秒錯誤率為 計算 ， 那么按統(tǒng)計平均 ， 每 1000 年才會發(fā)生一個不可檢 測的錯誤。 CAN 總線優(yōu)勢 CAN 屬于現(xiàn)場總線的 范疇 ， 它是一 種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網(wǎng)絡。較之目前許多 RS485 基于 R 線構建的分布式控制系統(tǒng)而言 ， 基于 CAN 總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性： 1)網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強 首先 ， CAN 控制器工作于多主方式 ， 網(wǎng)絡中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權 (取決于報文標識符 )采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù) ， 且 CAN 協(xié)議廢除了站地址編碼 ， 而代之以對通信數(shù)據(jù)進行編碼 ， 這可使不同的節(jié)點同時接收到 相同的數(shù)據(jù) ， 這些特點使得 CAN 總線構成的網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強 ， 并且容易構成冗余結構 ， 提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用 RS485 只能構成主從式結構系統(tǒng) ， 通信方式也只能以主站輪詢的方式進行 ， 系統(tǒng)的實時性、可靠性較差 。 2)縮短了開發(fā)周期 CAN 總線通過 CAN 收發(fā)器接口芯片 82C250 的兩個輸出端 CANH和 CANL 與物理總線相連 ， 而 CANH 端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài) ， CANL 端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現(xiàn)象在 RS485網(wǎng)絡中 ， 當系統(tǒng)有錯誤 ， 出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時 ， 導致總線呈現(xiàn)短路 ， 從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且 CAN 節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能 ， 以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響 ，工學學士論文 硬件設計與選型 從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡中 ， 因個別節(jié)點出現(xiàn)問題 ， 使得總線處于“死鎖 ”狀態(tài)。而且 ， CAN 具有的完善的通信協(xié)議可由 CAN 控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn) ， 從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度 ， 縮短了開發(fā)周期 ，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的 RS485 所無法比擬的。 3)已形成國際標準的現(xiàn)場總線 另外 ， 與其它現(xiàn)場總線比較而言 ， CAN 總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標 準的現(xiàn)場總線。這些也是目前 CAN 總線應用于眾多領域 ， 具有強勁的市場競爭力的重要原因。 4)最有前途的現(xiàn)場總線之一 CAN 即控制器局域網(wǎng)絡 ， 屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇。與一般的通信總線相比 ， CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計 ， CAN 總線越來越受到人們 重視。它在汽車領域上的應用是最廣泛的 ， 世界上一些著名的汽車制造廠商 ，如 BENZ(奔馳 )、 BMW(寶馬 )、 PORSCHE(保時捷 )、 ROLLSROYCE (勞斯萊斯 )和 JAGUAR(美洲豹 )等都采用了 CAN 總線來 實現(xiàn)汽車內部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構間的數(shù)據(jù)通信。同時 ， 由于 CAN 總線本身的特點 ， 其應用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè) ， 而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領域發(fā)展。 CAN 已經(jīng)形成國際標準 ，并已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。其典型的應用協(xié)議有： SAE J1939/ISO1178 CANOpen、 CANaerospace、 DeviceNet、 NMEA 20xx 等。 CAN 總線電平定義和通訊距離 工學學士論文 硬件設計與選型 CAN 總線采用兩種互 補的邏輯數(shù)值 “顯性 ”和 “隱性 ”。 “顯 ”(“Daminant”)數(shù)值表示邏輯 “0”，而 “隱性 ”(“Rec