CAN總線特性概述

1. CAN總線簡(jiǎn)介

   CAN是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對(duì)安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)了出來(lái)。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)"減少線束的數(shù)量"、"通過(guò)多個(gè)LAN進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信"的需要，1986 年德國(guó)電氣商博世公司開(kāi)發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議。此后CAN 通過(guò)ISO11898 及ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

   CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

2. CAN通信的特點(diǎn)

   CAN總線是德國(guó)BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率最高可達(dá)1Mbps。

3. 完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的幀處理

   CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。

4. 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)不受限制

   CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)符可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義2或2個(gè)以上不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

5. 各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間自由通信

   CAN總線采用了多主競(jìng)爭(zhēng)式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價(jià)比高，特別適用于分布式測(cè)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC AT XT兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

6. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

   只有2根線與外部相連，并且內(nèi)部集成了錯(cuò)誤探測(cè)和管理模塊。

7. 傳輸距離和速率

   CAN總線特點(diǎn)：

   (1) 數(shù)據(jù)通信沒(méi)有主從之分，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以向任何其他（一個(gè)或多個(gè)）節(jié)點(diǎn)發(fā)起數(shù)據(jù)通信，靠各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息優(yōu)先級(jí)先后順序來(lái)決定通信次序，高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)信息在134μs通信。

   (2) 多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)起通信時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的避讓優(yōu)先級(jí)高的，不會(huì)對(duì)通信線路造成擁塞; (3) 通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10KM(速率低于5Kbps)速率可達(dá)到1Mbps(通信距離小于40M）。(4) CAN總線傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜。CAN總線適用于大數(shù)據(jù)量短距離通信或者長(zhǎng)距離小數(shù)據(jù)量，實(shí)時(shí)性要求比較高，多主多從或者各個(gè)節(jié)點(diǎn)平等的現(xiàn)場(chǎng)中使用。

    

8. CAN通信的參考模型

   國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO對(duì)通信系統(tǒng)的詳細(xì)劃分如圖31所示

   
   

    

   圖31 ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)通信系統(tǒng)的劃分

    

   CAN總線規(guī)范定義了ISO模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。

   在SylixOS在應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層中間還加了一層系統(tǒng)層，上層應(yīng)用通過(guò)調(diào)用操作系統(tǒng)提供的相應(yīng)的接口實(shí)現(xiàn)對(duì)底層數(shù)據(jù)鏈路層的操作和控制。

   

    

   圖32 CAN總線協(xié)議層框圖

   一些國(guó)際組織定義了應(yīng)用層，如CIA組織的CANopen、ODVA組織的DeviceNet等，也有一些用戶根據(jù)需求自行設(shè)計(jì)應(yīng)用層。

    

9. CAN信號(hào)的位電平

   CAN總線有ISO11898和ISO11519兩個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)，此兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中差分電平的特性不相同如圖4-3所示。

   

   圖43 ISO11898和ISO11519標(biāo)準(zhǔn)

   ISO11898和ISO11519-2的CAN_H和CAN_L的電平值是不一樣的（注：經(jīng)過(guò)CAN控制器出來(lái)的信號(hào)是TTL 電頻（RX和TX），RX 或TX 的TTL電平經(jīng)過(guò)CAN收發(fā)器以后出來(lái)的是CAN_H和CAN_L的差分信號(hào)）。現(xiàn)在用的大多數(shù)器件采用的都是ISO11898協(xié)議。

    

   為何CAN要采取差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)？

   雙絞線上傳輸差分信號(hào)，共振干擾使信號(hào)線上產(chǎn)生相同幅度和相位的該擾脈沖如圖44所示。

   

    

   圖44CAN總線傳輸時(shí)CAN_H和CAN_L電平信號(hào)圖

   線路受到共模信號(hào)干擾后，信號(hào)差值不變，信號(hào)依然正確傳輸。

    

10. CAN總線的同步機(jī)制

    CAN總線采用的是異步串行通信的方式?jīng)]有時(shí)鐘線，按照約定的頻率采樣數(shù)據(jù)如圖15所示。

    

    圖55異步串行通信采樣介紹

    采用同步采樣會(huì)帶來(lái)一些，由于沒(méi)有時(shí)鐘線，信號(hào)的接收者內(nèi)部定時(shí)采集數(shù)據(jù)，由于系統(tǒng)時(shí)鐘的偏差，或者波特率的偏差會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的讀取錯(cuò)誤如圖56所示。

    

    圖56波特率采樣偏差

    CAN總線是如何進(jìn)行同步的呢？如圖57所示。

    

    圖57CAN信號(hào)同步

    CAN總線以信號(hào)跳變沿作為同步時(shí)刻，有效的把累計(jì)誤差限制在兩個(gè)跳變沿之間。

    但是這樣做任然有一個(gè)問(wèn)題，就是在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)高電平或者低電平中后仍然會(huì)有較大的累計(jì)誤差，仍然會(huì)有數(shù)據(jù)出錯(cuò)的情況。

    CAN總線的設(shè)計(jì)者們也考慮到了這種情況如圖58所示。

    

    圖58 CAN同步機(jī)制

    在連續(xù)的5個(gè)相同的位之后插入一個(gè)相位，產(chǎn)生一個(gè)跳變沿，再結(jié)合上面以信號(hào)跳變沿作為同步時(shí)刻，有效消除了累計(jì)誤差保證了CAN總線數(shù)據(jù)的可靠性（注：填充的這個(gè)相位是硬件上自動(dòng)完成無(wú)需軟件設(shè)計(jì)完成）

     

11. 參考資料

    《項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)--CAN-BUS現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)教程----周立功，黃曉清》。

    《現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用第二版–清華大學(xué)出版社》。