CAN總線(xiàn)協(xié)議
CAN總線(xiàn)發(fā)展
控制器局域網(wǎng)CAN( Controller Area Network)屬于現場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，是一種有效支持分布式控制系統的串行通信網(wǎng)絡(luò )。是由德國博世公司在20世紀80年代專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)行業(yè)開(kāi)發(fā)的一種串行通信總線(xiàn)。由于其高性能、高可靠性以及獨特的設計而越來(lái)越受到人們的重視，被廣泛應用于諸多領(lǐng)域。而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10km時(shí)，CAN仍可提供高達50kbit/s的數據傳輸速率。由于CAN總線(xiàn)具有很高的實(shí)時(shí)性能和應用范圍，從位速率最高可達1Mbps的高速網(wǎng)絡(luò )到低成本多線(xiàn)路的50Kbps網(wǎng)絡(luò )都可以任意搭配。因此，CAN己經(jīng)在汽車(chē)業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制、安全防護等領(lǐng)域中得到了廣泛應用。 隨著(zhù)CAN總線(xiàn)在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的廣泛應用，對其的通信格式標準化也提出了更嚴格的要求。1991年CAN總線(xiàn)技術(shù)規范（Version2.0）制定并發(fā)布。該技術(shù)規范共包括A和B兩個(gè)部分。其中2.0A給出了CAN報文標準格式，而2.0B給出了標準的和擴展的兩種格式。美國的汽車(chē)工程學(xué)會(huì )SAE在2000年提出了J1939協(xié)議，此后該協(xié)議成為了貨車(chē)和客車(chē)中控制器局域網(wǎng)的通用標準。
相關(guān)組織
依據國際標準化組織/開(kāi)放系統互連(International Standardi-zation Organization/Open SystemInterconnection，ISO/OSI)參考模型，CAN的ISO/OSI參考模型的層結構如圖7-6所示。
概念和特征
下面對CAN協(xié)議的媒體訪(fǎng)問(wèn)控制子層的一些概念和特征做如下說(shuō)明： (1)報文(Message)總線(xiàn)上的數據以不同報文格式發(fā)送，但長(cháng)度受到限制。當總線(xiàn)空閑時(shí)，任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)都可以發(fā)送報文。 (2)信息路由(Information Routing)在CAN中，節點(diǎn)不使用任何關(guān)于系統配置的報文，比如站地址，由接收節點(diǎn)根據報文本身特征判斷是否接收這幀信息。因此系統擴展時(shí)，不用對應用層以及任何節點(diǎn)的軟件和硬件作改變，可以直接在CAN中增加節點(diǎn)。 (3)標識符(Identifier) 要傳送的報文有特征標識符(是數據幀和遠程幀的一個(gè)域)，它給出的不是目標節點(diǎn)地址，而是這個(gè)報文本身的特征。信息以廣播方式在網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送，所有節點(diǎn)都可以接收到。節點(diǎn)通過(guò)標識符判定是否接收這幀信息。 (4)數據一致性應確保報文在CAN里同時(shí)被所有節點(diǎn)接收或同時(shí)不接收，這是配合錯誤處理和再同步功能實(shí)現的。 (5)位傳輸速率不同的CAN系統速度不同，但在一個(gè)給定的系統里，位傳輸速率是唯一的，并且是固定的。 (6)優(yōu)先權 由發(fā)送數據的報文中的標識符決定報文占用總線(xiàn)的優(yōu)先權。標識符越小，優(yōu)先權越高。 (7)遠程數據請求(Remote Data Request) 通過(guò)發(fā)送遠程幀，需要數據的節點(diǎn)請求另一節點(diǎn)發(fā)送相應的數據?；貞濣c(diǎn)傳送的數據幀與請求數據的遠程幀由相同的標識符命名。 (8)仲裁(Arbitration) 只要總線(xiàn)空閑，任何節點(diǎn)都可以向總線(xiàn)發(fā)送報文。如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報文，就會(huì )引起總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)碰撞。通過(guò)使用標識符的逐位仲裁可以解決這個(gè)碰撞。仲裁的機制確保了報文和時(shí)間均不損失。當具有相同標識符的數據幀和遠程幀同時(shí)發(fā)送時(shí)，數據幀優(yōu)先于遠程幀。在仲裁期間，每一個(gè)發(fā)送器都對發(fā)送位的電平與被監控的總線(xiàn)電平進(jìn)行比較。如果電平相同，則這個(gè)單元可以繼續發(fā)送，如果發(fā)送的是“隱性”電平而監視到的是“顯性”電平，那么這個(gè)單元就失去了仲裁，必須退出發(fā)送狀態(tài)。 (9)總線(xiàn)狀態(tài) 總線(xiàn)有“顯性”和“隱性”兩個(gè)狀態(tài)，“顯性”對應邏輯“0”，“隱性”對應邏輯“1”?！帮@性”狀態(tài)和“隱性”狀態(tài)與為“顯性”狀態(tài)，所以?xún)蓚€(gè)節點(diǎn)同時(shí)分別發(fā)送“0”和“1”時(shí)，總線(xiàn)上呈現“0”。CAN總線(xiàn)采用二進(jìn)制不歸零(NRZ)編碼方式，所以總線(xiàn)上不是“0”，就是“1”。但是CAN協(xié)議并沒(méi)有具體定義這兩種狀態(tài)的具體實(shí)現方式，如圖7-7所示。 ?。?0)故障界定(Confinement) CAN節點(diǎn)能區分瞬時(shí)擾動(dòng)引起的故障和永久性故障。故障節點(diǎn)會(huì )被關(guān)閉。 (11)應答接收節點(diǎn)對正確接收的報文給出應答，對不一致報文進(jìn)行標記。 ?。?2）CAN通訊距離最大是10公里（設速率為5Kbps）,或最大通信速率為1Mbps(設通信距離為40米)。 ?。?3）CAN總線(xiàn)上的節點(diǎn)數可達110個(gè)。通信介質(zhì)可在雙絞線(xiàn)，同軸電纜，光纖中選擇。 ?。?4）報文是短幀結構，短的傳送時(shí)間使其受干擾概率低，CAN有很好的效驗機制，這些都保證了CAN通信的可靠性。
編輯本段2 CAN總線(xiàn)協(xié)議內容
CAN總線(xiàn)的物理層是將ECU連接至總線(xiàn)的驅動(dòng)電路。ECU的總數將受限于總線(xiàn)上的電氣負荷。物理層定義了物理數據在總線(xiàn)上各節點(diǎn)間的傳輸過(guò)程，主要是連接介質(zhì)、線(xiàn)路電氣特性、數據的編碼/解碼、位定時(shí)和同步的實(shí)施標準。
總線(xiàn)競爭的原則
BOSCH CAN基本上沒(méi)有對物理層進(jìn)行定義，但基于CAN的ISO標準對物理層進(jìn)行了定義。設計一個(gè)CAN系統時(shí)，物理層具有很大的選擇余地，但必須保證CAN協(xié)議中媒體訪(fǎng)問(wèn)層非破壞性位仲裁的要求，即出現總線(xiàn)競爭時(shí)，具有較高優(yōu)先權的報文獲取總線(xiàn)競爭的原則，所以要求物理層必須支持CAN總線(xiàn)中隱性位和顯性位的狀態(tài)特征。在沒(méi)有發(fā)送顯性位時(shí)，總線(xiàn)處于隱性狀態(tài)，空閑時(shí)，總線(xiàn)處于隱性狀態(tài)；當有一個(gè)或多個(gè)節點(diǎn)發(fā)送顯性位，顯性位覆蓋隱性位，使總線(xiàn)處于顯性狀態(tài)。 在此基礎上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。從物理結構上看，CAN節點(diǎn)的構成如圖7-8所示。在CAN中，物理層從結構上可分為三層：分別是物理信號層(Physical Layer Signaling，PLS)、物理介質(zhì)附件(Physical MediaAttachment，PMA)層和介質(zhì)從屬接口(Media Dependent：Inter-face，MDI)層。其中PLS連同數據鏈路層功能由CAN控制器完成，PMA層功能由CAN收發(fā)器完成，MDI層定義了電纜和連接器的特性。目前也有支持CAN的微處理器內部集成了CAN控制器和收發(fā)器電路，如MC68HC908GZl6。PMA和MDI兩層有很多不同的國際或國家或行業(yè)標準，也可自行定義，比較流行的是ISOll898定義的高速CAN發(fā)送/接收器標準。
節點(diǎn)數量
理論上，CAN總線(xiàn)上的節點(diǎn)數幾乎不受限制，可達到2000個(gè)，實(shí)際上受電氣特性的限制，最多只能接100多個(gè)節點(diǎn)。
CAN的數據鏈路層
CAN的數據鏈路層是其核心內容，其中邏輯鏈路控制(Logical Link control，LLC)完成過(guò)濾、過(guò)載通知和管理恢復等功能，媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(Medium Access control，MAC)子層完成數據打包/解包、幀編碼、媒體訪(fǎng)問(wèn)管理、錯誤檢測、錯誤信令、應答、串并轉換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過(guò)程展開(kāi)的。
編輯本段3 CAN總線(xiàn)的報文傳輸和結構
報文類(lèi)型
在CAN2．0B的版本協(xié)議中有兩種不同的幀格式，不同之處為標識符域的長(cháng)度不同，含有ll位標識符的幀稱(chēng)之為標準幀，而含有29位標識符的幀稱(chēng)為擴展幀。如CAN1．2版本協(xié)議所描述，兩個(gè)版本的標準數據幀格式和遠程幀格式分別是等效的，而擴展格式是CAN2．0B協(xié)議新增加的特性。為使控制器設計相對簡(jiǎn)單，并不要求執行完全的擴展格式，對于新型控制器而言，必須不加任何限制的支持標準格式。但無(wú)論是哪種幀格式，在報文傳輸時(shí)都有以下四種不同類(lèi)型的幀：
幀類(lèi)型
(1)數據幀(Data ) 數據幀將數據從發(fā)送器傳輸到接收器。 (2)遠程幀(Remote ) 總線(xiàn)單元發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有同一標識符的數據幀。 (3)錯誤幀(Error ) 任何單元檢測到總線(xiàn)錯誤就發(fā)出錯誤幀。 (4)過(guò)載幀(Overload ) 過(guò)載幀用在相鄰數據幀或遠程幀之間提供附加的延時(shí)。 數據幀或遠程幀與前一個(gè)幀之間都會(huì )有一個(gè)隔離域，即幀間間隔。數據幀和遠程幀可以使用標準幀及擴展幀兩種格式。
編輯本段4 CAN總線(xiàn)應用領(lǐng)域
CAN總線(xiàn)最初是德國B(niǎo)OSCH為汽車(chē)行業(yè)的監測，控制而設計的?，F已應用到鐵路、交通、國防、工程、工業(yè)機械、紡織、農用機械、數控、醫療器械機器人、樓宇、安防等方面。文章來(lái)源于:百度百科
