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題記： 在這信息爆炸的年代，學(xué)習一樣新的知識，尤其是IT技術(shù)的學(xué)習，網(wǎng)絡(luò )是必不可少的。一陣狂搜過(guò)后，發(fā)現基于CAN總線(xiàn)的介紹確實(shí)不少，但是大多好像都雷同了，也許是不斷轉貼的結果吧。而且這些知識點(diǎn)也都太零散了，讓人看了，尤其是初學(xué)者有點(diǎn)找不著(zhù)北的感覺(jué)。所以，本著(zhù)謙虛好學(xué)腳踏實(shí)地的菜鳥(niǎo)精神，決定把網(wǎng)上搜的，書(shū)上看的，再添油加醋的做一番比較系統的整理。算是為學(xué)習CAN總線(xiàn)理清思路，快速上手打基礎吧。 一、什么是CAN總線(xiàn)? CAN，全稱(chēng)為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。最初，CAN被設計作為汽車(chē)環(huán)境中的微控制器通訊，在車(chē)載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車(chē)電子控制網(wǎng)絡(luò )。比如：發(fā)動(dòng)機管理系統、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統中，均嵌入CAN控制裝置。 一個(gè)由CAN 總線(xiàn)構成的單一網(wǎng)絡(luò )中，理論上可以?huà)旖訜o(wú)數個(gè)節點(diǎn)。實(shí)際應用中，節點(diǎn)數目受網(wǎng)絡(luò )硬件的電氣特性所限制。例如，當使用Philips P82C250作為CAN收發(fā)器時(shí)，同一網(wǎng)絡(luò )中允許掛接110個(gè)節點(diǎn)。CAN 可提供高達1Mbit/s的數據傳輸速率，這使實(shí)時(shí)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(xiàn)是如何發(fā)展的? CAN最初出現在80年代末的汽車(chē)工業(yè)中，由德國B(niǎo)osch公司最先提出。當時(shí)，由于消費者對于汽車(chē)功能的要求越來(lái)越多，而這些功能的實(shí)現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(lái)越復雜，同時(shí)意味著(zhù)需要更多的連接信號線(xiàn)。提出CAN總線(xiàn)的最初動(dòng)機就是為了解決現代汽車(chē)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(xiàn)。于是，他們設計了一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)，所有的外圍器件可以被掛接在該總線(xiàn)上。1993年，CAN 已成為國際標準ISO11898(高速應用)和ISO11519(低速應用)。 CAN是一種多主方式的串行通訊總線(xiàn)，基本設計規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，因此，CAN已經(jīng)在汽車(chē)工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、安全防護等領(lǐng)域中得到了廣泛應用。 三、CAN 總線(xiàn)是如何工作的? CAN通訊協(xié)議主要描述設備之間的信息傳遞方式。CAN層的定義與開(kāi)放系統互連模型(OSI)一致。每一層與另一設備上相同的那一層通訊。實(shí)際的通訊發(fā)生在每一設備上相鄰的兩層，而設備只通過(guò)模型物理層的物理介質(zhì)互連。CAN的規范定義了模型的最下面兩層：數據鏈路層和物理層。下表中展示了OSI開(kāi)放式互連模型的各層。應用層協(xié)議可以由CAN用戶(hù)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)域得到廣泛應用的標準是DeviceNet，這是為PLC和智能傳感器設計的。在汽車(chē)工業(yè)，許多制造商都應用他們自己的標準。 CAN能夠使用多種物理介質(zhì)，例如雙絞線(xiàn)、光纖等。最常用的就是雙絞線(xiàn)。信號使用差分電壓傳送，兩條信號線(xiàn)被稱(chēng)為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時(shí)均是2.5V左右，此時(shí)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(chēng)為“顯形”，此時(shí)，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(diǎn)，使人們樂(lè )于選擇。這些特性包括： 1、低成本; 2、極高的總線(xiàn)利用率; 3、很遠的數據傳輸距離(長(cháng)達10Km); 4、高速的數據傳輸速率(高達1Mbit/s); 5、可根據報文的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(dòng)重發(fā); 8、節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下具有自動(dòng)退出總線(xiàn)的功能; 9、報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來(lái)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(xiàn)如何進(jìn)行位仲裁? CSMA/CD是“載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測”(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect)的縮寫(xiě)。 利用CSMA訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)，可對總線(xiàn)上信號進(jìn)行檢測，只有當總線(xiàn)處于空閑狀態(tài)時(shí)，才允許發(fā)送。利用這種方法，可以允許多個(gè)節點(diǎn)掛接到同一網(wǎng)絡(luò )上。當檢測到一個(gè)沖突位時(shí)，所有節點(diǎn)重新回到‘監聽(tīng)’總線(xiàn)狀態(tài)，直到該沖突時(shí)間過(guò)后，才開(kāi)始發(fā)送。在總線(xiàn)超載的情況下，這種技術(shù)可能會(huì )造成發(fā)送信號經(jīng)過(guò)許多延遲。為了避免發(fā)送時(shí)延，可利用CSMA/CD方式訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)。當總線(xiàn)上有兩個(gè)節點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行發(fā)送時(shí)，必須通過(guò)“無(wú)損的逐位仲裁”方法來(lái)使有最高優(yōu)先權的的報文優(yōu)先發(fā)送。在CAN總線(xiàn)上發(fā)送的每一條報文都具有唯一的一個(gè)11位或29位數字的ID。CAN總線(xiàn)狀態(tài)取決于二進(jìn)制數‘0’而不是‘1’，所以ID號越小，則該報文擁有越高的優(yōu)先權。因此一個(gè)為全‘0’標志符的報文具有總線(xiàn)上的最高級優(yōu)先權�？捎昧硗獾姆椒▉�(lái)解釋?zhuān)涸谙_突的位置，第一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送0而另外的節點(diǎn)發(fā)送1，那么發(fā)送0的節點(diǎn)將取得總線(xiàn)的控制權，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(也可理解為應用層協(xié)議)是一種在現有的底層協(xié)議(物理層和數據鏈路層)之上實(shí)現的協(xié)議。高層協(xié)議是在CAN規范的基礎上發(fā)展起來(lái)的應用層。許多系統(像汽車(chē)工業(yè))中，可以特別制定一個(gè)合適的應用層，但對于許多的行業(yè)來(lái)說(shuō)，這種方法是不經(jīng)濟的。一些組織已經(jīng)研究并開(kāi)放了應用層標準，以使系統的綜合應用變得十分容易。 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、什么是標準格式CAN和擴展格式CAN? 標準CAN的標志符長(cháng)度是11位，而擴展格式CAN的標志符長(cháng)度可達29位。CAN 協(xié)議的2.0A版本規定CAN控制器必須有一個(gè)11位的標志符。同時(shí)，在2.0B版本中規定，CAN控制器的標志符長(cháng)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位標識符的標準格式報文或29位標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位標識符的標準格式報文，而忽略擴展格式的報文結構，但不會(huì )出現錯誤。 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位標識符的擴展格式報文結構。 九、CAN的報文格式： (關(guān)于這部分內容，對于我下一步要進(jìn)行編程實(shí)驗控制CAN總線(xiàn)是很重要的一個(gè)知識點(diǎn)。很郁悶的是搜了老半天只看見(jiàn)有文字敘述這部分內容的，不僅說(shuō)得不系統完整，而且遠沒(méi)有貼圖說(shuō)明來(lái)的具體直觀(guān)。不過(guò)還好，搜到了一份E文版的CAN總線(xiàn)資料，再把這個(gè)資料詳細看了下，再做了整理，還是用圖來(lái)說(shuō)明CAN傳輸的報文格式比較容易理解。老外寫(xiě)的東西確實(shí)比國內的好，這個(gè)不是我吹出來(lái)的，有興趣下了看看就知道了，見(jiàn)附件下載。) CAN通信是一種點(diǎn)對多點(diǎn)的傳輸協(xié)議，不是基于地址的傳統的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸協(xié)議。當一個(gè)點(diǎn)傳輸數據時(shí)，總線(xiàn)上的其它點(diǎn)都可以為接受方，它們可以通過(guò)ID來(lái)作出對總線(xiàn)上傳送數據的處理(接收或者丟棄)。并且當數據被正確接收到以后，接收方便會(huì )作出應答響應。CAN協(xié)議還有一個(gè)很實(shí)用的功能，就是總線(xiàn)上的任一個(gè)節點(diǎn)可以請求其它節點(diǎn)向其發(fā)送數據，這被稱(chēng)作遠程發(fā)送請求(RTR)。除此以外，CAN協(xié)議還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，當總線(xiàn)新加入一個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)無(wú)需更改原有的程序，新節點(diǎn)只要通過(guò)ID就可以知道是接收還是丟棄數據。 CAN協(xié)議定義了四種不同的幀。 1、數據幀，這個(gè)幀被用于當一個(gè)節點(diǎn)把信息傳送給系統的任何其它節點(diǎn)。數據幀由7個(gè)不同的位場(chǎng)組成，即幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數據場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應答場(chǎng)、幀結束。 2、遠程幀，此幀是基于數據幀格式，只要把RTR位設置成遠程發(fā)送請求(Remote Transmit Request)，并且沒(méi)有數據場(chǎng)�？偩�(xiàn)上發(fā)送此幀后，表示請求接收與該幀ID相符的數據幀。遠程幀由6個(gè)不同的位場(chǎng)組成，即幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應答場(chǎng)、幀結束。 3、錯誤幀，任何單元監測到錯誤時(shí)就發(fā)送錯誤幀。錯誤幀由兩個(gè)不同的場(chǎng)組成。第一個(gè)場(chǎng)是錯誤標志，用做為不同站提供錯誤標志的疊加;第二個(gè)場(chǎng)是錯誤界定符。 4、超載幀，節點(diǎn)需要增加時(shí)間來(lái)處理接收到的數據時(shí)便發(fā)送過(guò)載幀。超載幀包括兩個(gè)位場(chǎng)：超載標志和超載界定符。 CAN總線(xiàn)傳輸的起始幀如圖1。幀起始標志數據幀或遠程幀的起始，由一個(gè)單獨的“顯性”位(0)組成。由控制芯片完成。 由圖2和圖3可以看到數據幀的兩種不同格式，兩種格式的差別只是它們的ID位數不同。 1、幀起始。 2、仲裁場(chǎng)，仲裁場(chǎng)包括標識符和遠程發(fā)送請求位(RTR)。 對于CAN2.0A標準，標識符的長(cháng)度為11位。RTR位在數據幀中必須是顯性位，而在遠程幀必須為隱性位。 對于CAN2.0，標準格式和擴展格式的仲裁場(chǎng)不同。在標準格式中，仲裁場(chǎng)由11位標識符和遠程發(fā)送請求位組成。在擴展格式中，仲裁場(chǎng)由29位標識符和替代遠程請求位(SRR) 、標志位(IDE)和遠程發(fā)送請求位組成。 仲裁場(chǎng)的作用之一是說(shuō)明數據幀或遠程幀發(fā)送目的地;之二是指出是數據幀還是遠程幀。 3、控制場(chǎng)，控制場(chǎng)由6個(gè)位組成，說(shuō)明數據幀中有效數據的長(cháng)度。標準幀的最高位是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，標識傳送的數據字節數(0-8字節)。 4、數據場(chǎng)，數據場(chǎng)由數據幀中的發(fā)送數據組成。它可以為0-8個(gè)字節。 5、CRC場(chǎng)，CRC場(chǎng)包括CRC序列，這部分由SJA1000控制芯片完成。 6、應答場(chǎng)，應答場(chǎng)長(cháng)度為兩個(gè)位，包括應答間隙和應答界定符。由SJA1000控制芯片自動(dòng)完成。 7、幀結束，每一個(gè)數據幀和遠程幀均由一標志序列界定，這個(gè)標志序列由7個(gè)“隱性”位組成。這部分由SJA1000控制芯片自動(dòng)完成。 仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數據場(chǎng)由軟件編程配置SJA1000完成;幀起始、CRC場(chǎng)、應答場(chǎng)、幀結束由CAN總線(xiàn)控制芯片SJA1000自動(dòng)完成。 十、CAN的數據錯誤檢測： 不同于其它總線(xiàn),CAN協(xié)議不能使用應答信息。事實(shí)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(guò)CRC可判斷報文是否有錯。 2、幀檢查 這種方法通過(guò)位場(chǎng)檢查幀的格式和大小來(lái)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(guò)明確的應答來(lái)確認。如果發(fā)送站未收到應答,那么表明接收站發(fā)現幀中有錯誤,也就是說(shuō),ACK場(chǎng)已損壞或網(wǎng)絡(luò )中的報文無(wú)站接收。CAN協(xié)議也可通過(guò)位檢查的方法探測錯誤。 4、總線(xiàn)檢測 有時(shí),CAN中的一個(gè)節點(diǎn)可監測自己發(fā)出的信號。因此,發(fā)送報文的站可以觀(guān)測總線(xiàn)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(gè)生。在五個(gè)連續相等位后,發(fā)送站自動(dòng)插入一個(gè)與之互補的補碼位;接收時(shí),這個(gè)填充位被自動(dòng)丟掉。例如,五個(gè)連續的低電平位后,CAN自動(dòng)插入一個(gè)高電平位。CAN通過(guò)這種編碼規則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6個(gè)相同位,CAN就知道發(fā)生了錯誤。 如果至少有一個(gè)站通過(guò)以上方法探測到一個(gè)或多個(gè)錯誤,它將發(fā)送出錯標志終止當前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文,并保證網(wǎng)絡(luò )上報文的一致性。當大量發(fā)送數據被終止后,發(fā)送站會(huì )自動(dòng)地重新發(fā)送數據。作為規則,在探測到錯誤后23個(gè)位周期內重新開(kāi)始發(fā)送。在特殊場(chǎng)合,系統的恢復時(shí)間為31個(gè)位周期。 但這種方法存在一個(gè)問(wèn)題,即一個(gè)發(fā)生錯誤的站將導致所有數據被終止,其中也包括正確的數據。因此,如果不采取自監測措施,總線(xiàn)系統應采用模塊化設計。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別出來(lái)的辦法。這種方法可以通過(guò)對出錯站統計評估來(lái)確定一個(gè)站本身的錯誤并進(jìn)入一種不會(huì )對其它站產(chǎn)生不良影響的運行方法來(lái)實(shí)現,即站可以通過(guò)關(guān)閉自己來(lái)阻止正常數據因被錯誤地當成不正確的數據而被終止。 6、CAN可靠性 為防止汽車(chē)在使用壽命期內由于數據交換錯誤而對司機造成危險,汽車(chē)的安全系統要求數據傳輸具有較高的安全性。如果數據傳輸的可靠性足夠高,或者殘留下來(lái)的數據錯誤足夠低的話(huà),這一目標不難實(shí)現。從總線(xiàn)系統數據的角度看,可靠性可以理解為,對傳輸過(guò)程產(chǎn)生的數據錯誤的識別能力。 殘余數據錯誤的概率可以通過(guò)對數據傳輸可靠性的統計測量獲得。它描述了傳送數據被破壞和這種破壞不能被探測出來(lái)的概率。殘余數據錯誤概率必須非常小,使其在系統整個(gè)壽命周期內,按平均統計時(shí)幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠對數據錯誤進(jìn)行分類(lèi) ,并且數據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(shí)位錯誤概率的函數,并假定這個(gè)系統中有5～10個(gè)站,并且錯誤率為1/1000,那么最大位錯誤概率為10—13數量級。例如,CAN網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸率最大為1Mbps,如果數據傳輸能力僅使用50%,那么對于一個(gè)工作壽命4000小時(shí)、平均報文長(cháng)度為 80位的系統,所傳送的數據總量為9×1010。在系統運行壽命期內,不可檢測的傳輸錯誤的統計平均小于10—2量級。換句話(huà)說(shuō),一個(gè)系統按每年365 天,每天工作8小時(shí),每秒錯誤率為0. 7計算,那么按統計平均,每1000年才會(huì )發(fā)生一個(gè)不可檢測的錯誤。 |
