CAN总线控制器局域网概述.docx

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1、CAN 总线掌握器局域网CAN，全称为“CONtroller Area Network”，即掌握器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN 被设计作为汽车环境中的微掌握器通讯，在车载各电子掌握装置 ECU 之间交换信息， 形成汽车电子掌握网络。比方：发动机治理系统、变速箱掌握器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入 CAN 掌握装置。 一个由 CAN 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接很多个节点。实际应用中， 节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用Philips P82C250 作为 CAN 收发器时，同一网络中允许挂接 110 个节点。CAN 可供给高达 1Mbit/s

2、 的数据传输速率，这使实时掌握变得格外简洁。另外，硬件的错误检定特性也增加了 CAN 的抗电磁干扰力量。CAN 总线特性o CAN 具有格外优越的特点，使人们乐于选择。这些特性包括：1、低本钱；2、极高的总线利用率；3、很远的数据传输距离(长达 10Km)；4、高速的数据传输速率高达 1Mbit/s；5、可依据报文的 ID 打算接收或屏蔽该报文；6、牢靠的错误处理和检错机制；7、发送的信息遭到破坏后，可自动重发；8、节点在错误严峻的状况下具有自动退出总线的功能；9、报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。CAN 总线特点o (1)它是一种多主总线，即每个节点机均可成为

3、主机，且节点机之间也可进展通信。(2)通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达 1Mb/s。(3) 通信接口中集成了 CAN 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等项工作。(4) CAN 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，雨代之以对通信数据块进展编码。承受这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由 11 位或 29 位二进制数组成，因此可以定义 211 或 229 个不同的数据块，这种数据块编码方式，还可使不同的节点同时接收到一样的数据，这一点在分步式掌握中格外重要。(5

4、) 数据段长度最多为 8 个字节，可满足通常工业领域中掌握命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总线时间过长，从而倮证了通信的实时性。(6) CAN 协议承受 CRC 检验并可供给相应的错误处理功能，保证了数据通信的牢靠性。CAN 总线所具有的卓越性能、极高的牢靠性和独特设计，特别适合工业设各测控单元互连。因此备受工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。CAN 总线数据格式o 全部 CAN 总线通信在应用上都是全都的，但有两种硬件和两个版本的数据格式，分为根本型和完全型，如图1 所示。几乎全部的处理器内部嵌入的CAN 总线模块都支持这两种操作模式，其中根本型主要用

5、于对本钱要求比较敏感的系统中。根本型BASICCAN主要有以下特点： MCU 内核和 CAN 总线模块承受闭环连接方式； 有 1 个发送缓冲； 有 2 个接收缓冲； 需要使用软件选择输入的消息。完全型FULLCAN主要有以下特点： 供给消息效劳； 对输人消息进展更大范围的接收滤波； 邮箱允许用户配置； 邮箱的存储区以及邮箱的大小与具体的芯片有关； 先进的错误识别功能。此外，CAN2OB 总线标准定义了 2 种不同的数据格式标准帧和扩展帧，其主要区分在于标识符域的长度不同：标准帧有 II 位的标识符，扩展帧有 29 位的标识符， 如图 1 所示。CAN 总线的标准数据帧的长度是 44108 位，

6、而扩展数据帧的长度是64128 位。依据数据流代码的不同，标准数据帧可以插入 28 位填充位，扩展数据帧可以插人 28 位填充位。因此，标准数据帧最长为 131 位，扩展数据帧最长为 156 位。图 1 CAN 总线应用类型图 2 数据格式类型图 1 给出了构成标准扩展数据帧各位在整个数据帧中的位置，主要包括： 帧起始位； 包含标识符和发送消息类型的仲裁域； 包含数据位数的掌握域；ELTMS320X281xDSP jffilE C 柳；ffilBTT，荃 最多 8 字节的数据域； 循环冗余检查位CRC； 应答位； 帧完毕位。图 3 数据帧格式CAN 总线消息主要由仲裁区、数据区、CRC 校验区

7、以及帧完毕区荃局部构成。各区主要情 况如下。 仲裁区：定义消息的优先级；消息的规律地址标识符；标准帧 11 位标识符；扩展帧 29 位标识符。 数据区：每个消息最多可以包含 8 字节的数据；允许不包含数据帧的帧存在数据区长度为 0 字节。CRC 校验区：包含循环冗余校验位。 帧完毕区：帧完毕区消息响应标识、错误消息、消息完毕。图 3 给出的数据帧包含起始位、标识符、远程传输恳求、标识扩展等，全部相关的仲裁、数据、CRC 校验以及帧完毕构成了完整的 CAN 总线消息帧，各局部的具体含义如下。起始位1 bit 标识一个消息帧的开头，在空闲时间的下降沿同步全部的总线模块；标识符11 bits:定义消

8、息的规律地址和优先级，优先级的数字越小优先级越高；RTR1 bit:远程传输恳求，假设 RTR1 表示在数据帧中没有有效数据，恳求远程节点向发出恳求帧的节点发送数据；IDE 1 bit:标识符扩展，假设 IDE1，则承受扩展的数据帧传送数据； r0 保存；DLC4 bits:数据长度代码，数据帧长度允许的数据字节数为08，其他长度数值不允许使用；数据08 字节:消息数据；CRC15 bits:循环冗余校验码”只用于检测错误而不能校正； ACK2 bits每一个接听者接收到消息后必需发送响应位ACK： EOF7 bits1，recesslve:帧的完毕；IFS3 bits1，recessive:

9、内部帧空间，将接收到的消息从总线处理单元复制到缓冲，只有扩展模式有该位；SRR1 bitrecesslve: 替代标准帧中的远程帧恳求位RTR；r0:保存。CAN 总线的仲裁o CAN 总线承受的是一种叫做“载波监测，多主掌控冲突避开”CSMACA的通信模式。这种总线仲裁方式允许总线上的任何一个设各都有时机取得总线的掌握权并向外发送数据。假设在同一时刻有 2 个或 2 个以上的设各要求发送数据，就会产生总线冲突，CAN 总线能够实时地检测这些冲突并对其进展仲裁，从而使具有高优先级的数据不受任何损坏地传输。当总线处于空闲状态时呈隐性电平，此时任何节点都可以向总线发送显性电平作为帧的开头。假设 2

10、 个或 2 个以上同时发送就会产生竞争。CAN 总线解决竞争的方法同以太网的 CSMACDCarrier Sense Multiple Access with Collislon Detection方法根本相像，如图 1 所示。此外，CAN 总线做了改进并承受 CSMACACarrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance访问总线，按位对标识符进展仲裁。各节点在向总线发送电平的同时，也对总线上的电平读取，并与自身发送的电平进展比较， 假设电平一样连续发送下一位，不同则停顿发送退出总线竞争。剩余的节点连续上述过程，直到总线上只剩下 1 个

11、节点发送的电平，总线竞争完毕，优先级高的节点获得总线的掌握权。图 1 Ethernet 承受的 CSMA CD 总线访问过程CAN 总线以报文为单位进展数据传输，报文的优先级结合在 44 位标识符中扩展帧的标识符 29 位，具有最小二进制数的标识符的节点具有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时确定就不能随便地更改，总线读取产生的冲突主要靠这些位仲裁解决。之所以 CAN 总线不承受以太网使用的延时避开冲突，主要是为了保证具有更高优先级的节点能够完整地实时传输，而且 CSMACA 可以有效地避开冲突。如图 2 所示，节点 A 和节点 B 的标识符的第 lO、9、8 位电平一样，因此两个节点侦听

12、到的信息和它们发出的信息一样。第 7 位节点B 发出一个“1”，但从节点上接收到的消息却是“0”，说明有更高优先级的节点占用总线发送消息。节点B 会退动身送处于单纯监听方式而不发送数据；节点 A 成功发送仲裁位从而获得总线的掌握权，继而发送全部消息。总线中的信号持续跟踪最终获得总线掌握权发出的报文，本例中节点 A 的报文将被跟踪。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于，在网络最终确定哪个节点被传送前，报文的起始局部已经在网络中传输了，因此具有高优先级的节点的数据传输没有任何延时。在获得总线掌握权的节点发送数据过程中，其他节点成为报文的接收节点，并且不会在总线再次空闲之前发送报文。图 2 CAN 总线

13、节点访问总线过程图 3 为 CAN 总线上节点的电平规律，总线上的节点电平对于总线电平而言是相与的关系，只有当 3 个节点的电压都等于 1隐性电平，总线才会保持在 ycc隐性电平 状态。只要有 1 个节点切换到 0 状态显性电平，总线就会被强制在显性状态0。这种避开总线冲突的仲裁方式能够使具有高优先级的消息没有延时地占用总线传输。图 3 CAN 总线上节点的电平规律CAN 总线的物理连接o CAN 总线承受的是一种叫做“载波监测，多主掌控冲突避开”CSMACA的通信模式。这种总线仲裁方式允许总线上的任何一个设各都有时机取得总线的掌握权并向外发送数据。假设在同一时刻有 2 个或 2 个以上的设各

14、要求发送数据，就会产生总线冲突，CAN 总线能够实时地检测这些冲突并对其进展仲裁，从而使具有高优先级的数据不受任何损坏地传输。当总线处于空闲状态时呈隐性电平，此时任何节点都可以向总线发送显性电平作为帧的开头。假设 2 个或 2 个以上同时发送就会产生竞争。CAN 总线解决竞争的方法同以太网的 CSMACDCarrier Sense Multiple Access with Collislon Detection方法根本相像，如图 1 所示。此外，CAN 总线做了改进并承受 CSMACACarrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance访

15、问总线，按位对标识符进展仲裁。各节点在向总线发送电平的同时，也对总线上的电平读取，并与自身发送的电平进展比较， 假设电平一样连续发送下一位，不同则停顿发送退出总线竞争。剩余的节点连续上述过程，直到总线上只剩下 1 个节点发送的电平，总线竞争完毕，优先级高的节点获得总线的掌握权。图 1 Ethernet 承受的 CSMA CD 总线访问过程CAN 总线以报文为单位进展数据传输，报文的优先级结合在 44 位标识符中扩展帧的标识符 29 位，具有最小二进制数的标识符的节点具有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时确定就不能随便地更改，总线读取产生的冲突主要靠这些位仲裁解决。之所以 CAN 总线不承

16、受以太网使用的延时避开冲突，主要是为了保证具有更高优先级的节点能够完整地实时传输，而且 CSMACA 可以有效地避开冲突。如图 2 所示，节点 A 和节点 B 的标识符的第 lO、9、8 位电平一样，因此两个节点侦听到的信息和它们发出的信息一样。第 7 位节点B 发出一个“1”，但从节点上接收到的消息却是“0”，说明有更高优先级的节点占用总线发送消息。节点B 会退动身送处于单纯监听方式而不发送数据；节点 A 成功发送仲裁位从而获得总线的掌握权，继而发送全部消息。总线中的信号持续跟踪最终获得总线掌握权发出的报文，本例中节点 A 的报文将被跟踪。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于，在网络最终确定哪个

17、节点被传送前，报文的起始局部已经在网络中传输了，因此具有高优先级的节点的数据传输没有任何延时。在获得总线掌握权的节点发送数据过程中，其他节点成为报文的接收节点，并且不会在总线再次空闲之前发送报文。图 2 CAN 总线节点访问总线过程图 3 为 CAN 总线上节点的电平规律，总线上的节点电平对于总线电平而言是相与的关系，只有当 3 个节点的电压都等于 1隐性电平，总线才会保持在 ycc隐性电平 状态。只要有 1 个节点切换到 0 状态显性电平，总线就会被强制在显性状态0。这种避开总线冲突的仲裁方式能够使具有高优先级的消息没有延时地占用总线传输。图 3 CAN 总线上节点的电平规律CAN 总线的通

18、信错误及其处理o 在 CAN 总线中存在 5 种错误类型，它们相互并不排斥，下面简洁介绍一下它们的区分、产生的缘由及处理方法。位错误:向总线送出一位的某个节点同时也在监视总线，当监视到总线位的电平与送出的电平不同时 9 则在该位时刻检测到一个位错误。但是在仲裁区的填充位流期间或应答间隙送出隐性位而检测到显性位时，不认为是错误位。送出认可错误标注的发送器， 在检测到显性位时也不认为是错误位。填充错误:在使用位填充方法进展编码的报文中，消灭了第 6 个连续一样的位电寻常， 将检 测出一个填充错误。CRC 错误:CRC 序列是由发送器 CRC 计算的结果组成的。接收器以与发送器一样的方法计算 CRC

19、。假设计算的结果与接收到的 CRC 序列不同，则检测出一个 CRC 错误。形式错误: 当固定形式的位区中消灭一个或多个非法位时，则检测到一个形式错误。应答错误:在应答间隙，发送器未检测到显性位时，则由它检测出一个应答错误。检测到出错条件的节点通过发送错误标志进展标定。当任何节点检测出位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，由该节点在下一位开头发送出错误标志。当检测到 CRC 错误时。出错标志在应答界定符后面那一位开头发送除非其他出错条件的错误标志已经开头发送。在 CAN 总线中，任何一个单元可能处于以下 3 种故障状态之一：错误激活状态ErrorActive、错误认可状态Error Pasit

20、ive和总线关闭状态Bus off。错误激活单元可以照常参与总线通信，并且当检测到错误时，送出一个活动错误标志。错误 认可节点可参与总线通信，但是不允许送出活动错误标志。当其检测到错误时， 只能送出认可错 误标志，并且发送后仍为错误认可状态，直到下一次发送初始化。总线关闭状态不允许单元对总 线有任何影响。为了界定故障，在每个总线单元中都设有 2 个计数：发送出错计数和接收出错计数。这些 计数依据以下规章进展。（1） 接收器检查出错误时，接收器错误计数器加 1，除非全部检测错误是发送活动错误标志或超载标志期间的位错误。（2） 接收器在送出错误标志后的第一位检查出显性位时，错误计数器加 8。（3）

21、 发送器送出一个错误标志时，发送器错误计数器加 8。有两种状况例外：其一是假设发 送器为错误认可，由于未检测到显性位应答或检测到应答错误，并且在送出其认可错误标志时，未检测到显性位；另外一种状况是假设仲裁器件产生填充错误，发送器送出一个隐性位错误标志，而检测到的是显性位。除以上两种状况外，发送器错误计数器计数不转变。（4） 发送器送出一个活动错误标志或超载标志时，检测到位错误，则发送器错误计数器加 8。（5） 在送出活动镨误标志、认可错误标志或超载错误标志后，任何节点都最多允许连续 7 个显性位。在检测到第 11 个连续显性位后，或紧随认可错误标志检测到第 8 个连续的显性位，以及附加的 8

22、个连续的显性位的每个序列后，每个发送器的发送错误计数都加 8，并且每个接收器的接收错误计数也加 8。（6） 报文成功发送后，发送错误计数减 1，除非计数值已经为 0。（7） 报文成功发送后，假设接收错误计数处于1197 之间，则其值减 1；假设接收错误计数为 0，则仍保持为 0；假设大于 127，则将其值记为 119127 之间的某个数值。（8） 当发送错误计数等于或大于 128，或接收错误汁数等于或大于 128 时，节点进人错误认,可状态，节点送出一个活动错误标志。（9） 当发送错误计数器大于或等于 256 时，节点进人总线关闭状态。1O当发送错误计数和接收错误计数均小于或等于127 时，错

23、误认可节点再次变为错误激活节点。（11） 在检测到总线上 11 个连续的隐性位发送 128 次后，总线关闭节点将变为 2 个错误计数器均为 0 的错误激活节点。（12） 当错误计数器数值大于 96 时，说明总线被严峻干扰。假设系统启动期间仅有 1 个节点挂在总线上，此节点发出报文后，将得不到应答，检查出错误并重复该报文，此时该节点可以变为错误认可节点，但不会因此关闭总线。CAN 总线是如何进展o CAN 最初消灭在 80 年月末的汽车工业中，由德国 Bosch 公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越简单，

24、同时意味着需要更多的连接。提出 CAN 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中浩大的电子掌握装置之间的通讯，削减不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，全部的外围器件可以被挂接在该总线上。1993 年，CAN 已成为国际标准 ISO11898(高速应用)和 ISO11519低速应用。CAN 是一种多主方式的串行通讯总线，根本设计标准要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离到达 10Km 时，CAN 仍可供给高达 50Kbit/s 的数据传输速率。由于 CAN 总线具有很高的实时性能，因此，CAN 已经在汽车工业、航空工业、工业掌握、安全防护等领域中得到了广泛应用。