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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，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。而且這些知識點也都太零散了，讓人看了，尤其是初學(xué)者有點找不著北的感覺。所以，本著謙虛好學(xué)腳踏實地的菜鳥精神，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)場總線之一。最初，CAN被設(shè)計作為汽車環(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)動機管理系統(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)個節(jié)點。實際應(yīng)用中，節(jié)點數(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，同一網(wǎng)絡(luò)中允許掛接110個節(jié)點。CAN 可提供高達(dá)1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤檢定特性也增強了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，由于消費者對于汽車功能的要求越來越多，而這些功能的實現(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，同時意味著需要更多的連接信號線。提出CAN總線的最初動機就是為了解決現(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線。于是，他們設(shè)計了一個單一的網(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)計規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達(dá)到10Km時，CAN 仍可提供高達(dá)50Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。 由于CAN總線具有很高的實時性能，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。信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時均是2.5V左右，此時狀態(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，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，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)報文的ID決定接收或屏蔽該報文; 6、可靠的錯誤處理和檢錯機制; 7、發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā); 8、節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能; 9、報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)先級信息。 五、Philips制造的CAN芯片有哪些? 六、CAN總線如何進行位仲裁? CSMA/CD是“載波偵聽多路訪問/沖突檢測”(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect)的縮寫。 利用CSMA訪問總線，可對總線上信號進行檢測，只有當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時，才允許發(fā)送。利用這種方法，可以允許多個節(jié)點掛接到同一網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)檢測到一個沖突位時，所有節(jié)點重新回到‘監(jiān)聽’總線狀態(tài)，直到該沖突時間過后，才開始發(fā)送。在總線超載的情況下，這種技術(shù)可能會造成發(fā)送信號經(jīng)過許多延遲。為了避免發(fā)送時延，可利用CSMA/CD方式訪問總線。當(dāng)總線上有兩個節(jié)點同時進行發(fā)送時，必須通過“無損的逐位仲裁”方法來使有最高優(yōu)先權(quán)的的報文優(yōu)先發(fā)送。在CAN總線上發(fā)送的每一條報文都具有唯一的一個11位或29位數(shù)字的ID。CAN總線狀態(tài)取決于二進制數(shù)‘0’而不是‘1’，所以ID號越小，則該報文擁有越高的優(yōu)先權(quán)。因此一個為全‘0’標(biāo)志符的報文具有總線上的最高級優(yōu)先權(quán)。可用另外的方法來解釋：在消息沖突的位置，第一個節(jié)點發(fā)送0而另外的節(jié)點發(fā)送1，那么發(fā)送0的節(jié)點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，可以特別制定一個合適的應(yīng)用層，但對于許多的行業(yè)來說，這種方法是不經(jīng)濟的。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和擴展格式CAN? 標(biāo)準(zhǔn)CAN的標(biāo)志符長度是11位，而擴展格式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11位的標(biāo)志符。同時，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)識符的標(biāo)準(zhǔn)格式報文或29位標(biāo)識符的擴展格式報文。如果禁止CAN2.0B,則CAN 控制器只能發(fā)送和接收11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)格式報文，而忽略擴展格式的報文結(jié)構(gòu)，但不會出現(xiàn)錯誤。 目前，Philips公司主要推廣的CAN獨立控制器均支持CAN2.0B協(xié)議，即支持29位標(biāo)識符的擴展格式報文結(jié)構(gòu)。 九、CAN的報文格式： (關(guān)于這部分內(nèi)容，對于我下一步要進行編程實驗控制CAN總線是很重要的一個知識點。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)膱笪母袷奖容^容易理解。老外寫的東西確實比國內(nèi)的好，這個不是我吹出來的，有興趣下了看看就知道了，見附件下載。) CAN通信是一種點對多點的傳輸協(xié)議，不是基于地址的傳統(tǒng)的點對點傳輸協(xié)議。當(dāng)一個點傳輸數(shù)據(jù)時，總線上的其它點都可以為接受方，它們可以通過ID來作出對總線上傳送數(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，接收方便會作出應(yīng)答響應(yīng)。CAN協(xié)議還有一個很實用的功能，就是總線上的任一個節(jié)點可以請求其它節(jié)點向其發(fā)送數(shù)據(jù)，這被稱作遠(yuǎn)程發(fā)送請求(RTR)。除此以外，CAN協(xié)議還有一個優(yōu)點，當(dāng)總線新加入一個節(jié)點進行通信時無需更改原有的程序，新節(jié)點只要通過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，這個幀被用于當(dāng)一個節(jié)點把信息傳送給系統(tǒng)的任何其它節(jié)點。數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應(yīng)答場、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)送請求(Remote Transmit Request)，并且沒有數(shù)據(jù)場。總線上發(fā)送此幀后，表示請求接收與該幀ID相符的數(shù)據(jù)幀。遠(yuǎn)程幀由6個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應(yīng)答場、幀結(jié)束。 3、錯誤幀，任何單元監(jiān)測到錯誤時就發(fā)送錯誤幀。錯誤幀由兩個不同的場組成。第一個場是錯誤標(biāo)志，用做為不同站提供錯誤標(biāo)志的疊加;第二個場是錯誤界定符。 4、超載幀，節(jié)點需要增加時間來處理接收到的數(shù)據(jù)時便發(fā)送過載幀。超載幀包括兩個位場：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，由一個單獨的“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，仲裁場包括標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位(RTR)。 對于CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)識符的長度為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。 對于CAN2.0，標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式的仲裁場不同。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，仲裁場由11位標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位組成。在擴展格式中，仲裁場由29位標(biāo)識符和替代遠(yuǎn)程請求位(SRR) 、標(biāo)志位(IDE)和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位組成。 仲裁場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，控制場由6個位組成，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)識傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)(0-8字節(jié))。 4、數(shù)據(jù)場，數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀中的發(fā)送數(shù)據(jù)組成。它可以為0-8個字節(jié)。 5、CRC場，CRC場包括CRC序列，這部分由SJA1000控制芯片完成。 6、應(yīng)答場，應(yīng)答場長度為兩個位，包括應(yīng)答間隙和應(yīng)答界定符。由SJA1000控制芯片自動完成。 7、幀結(jié)束，每一個數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀均由一標(biāo)志序列界定，這個標(biāo)志序列由7個“隱性”位組成。這部分由SJA1000控制芯片自動完成。 仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場由軟件編程配置SJA1000完成;幀起始、CRC場、應(yīng)答場、幀結(jié)束由CAN總線控制芯片SJA1000自動完成。 十、CAN的數(shù)據(jù)錯誤檢測： 不同于其它總線,CAN協(xié)議不能使用應(yīng)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(nèi)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(yīng)答錯誤 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)幀中有錯誤,也就是說,ACK場已損壞或網(wǎng)絡(luò)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)送出錯標(biāo)志終止當(dāng)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(luò)上報文的一致性。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(nèi)重新開始發(fā)送。在特殊場合,系統(tǒng)的恢復(fù)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(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)測措施,總線系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)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(guān)閉自己來阻止正常數(shù)據(jù)因被錯誤地當(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(biāo)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,對傳輸過程產(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(nèi),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?qū)?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10—13數(shù)量級。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%,那么對于一個工作壽命4000小時、平均報文長度為 80位的系統(tǒng),所傳送的數(shù)據(jù)總量為9×1010。在系統(tǒng)運行壽命期內(nèi),不可檢測的傳輸錯誤的統(tǒng)計平均小于10—2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0. 7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。 |
