第7章CAN总线1

第七章CAN总线7.1 CAN（控制器局域网络）概述7.2 CAN技术规范7.3CAN节点间的报文传输与帧结构7.4 CAN总线工作原理7.5 CAN总线控制器SJA1000简介7.6 CAN总线产品的开发7.7 CAN总线的应用7.1 CAN（控制器局域网络）概述•CAN（Controller Area Network，93年）：Bosch公司推出，1993年被批准为国际标准ISO11898（通信速率小于1Mbps/40m）和ISO11519（通信速率小于等于125kbps），前者用于高速通信，后者用于低速通信，仅采用OSI-RM底层的物理层和数据链路层两层。

•通信速率1Mbps/40m，5kbps/10km，节点数量最多可达110个，是一种有效支持分布式和实时控制的串行通信网络。

•突出特点是开发成本较低，安全性、可靠性、实时性、灵活性高和抗干扰能力强。

•许多生产厂商（Motorola，Philip，Intel，Infineon、NEC、TI 等）在微处理器芯片中嵌入了CAN接口（TI等公司在数字信号处理器DSP中也嵌入了CAN控制器），而其他现场总线的协议芯片基本上以专用芯片供应，使CAN在低成本方面优势明显。

•CAN用户及制造商国际组织于1993年在欧洲成立，简称CiA，负责解决CAN总线实际应用中的问题，提供CAN产品及开发工具，推广CAN总线的应用等。

7.1.1 CAN主要应用领域•CAN是由德国Robert Bosch在83年推出的，最早用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，以较低的成本、较高的实时处理能力，确保在强电磁干扰环境下可靠地工作。

•目前唯一被批准为ISO国际标准的现场总线，1993年11月由ISO/TC22技术委员会批准为ISO11898 Road vehicles --Interchange of digital information --Controller area network(CAN) for high-speed communication；ISO11519-2 Road vehicles --Low-speed serial data communication --Part 2: Low-speed controller area network(CAN)。

•主要用于汽车工业、医疗领域、纺织机械、机器人、航空航天、数控机床、分散型I/O和电梯控制、传感器等多个领域。

7.1.2 CAN总线系列•许多国际组织基于CAN的基本特性，又建立了高层协议（如应用层）和通信行规，构建CAN网络，主要通过软件实现3-7层功能，以满足不同应用领域和不同客户要求。

•CAN总线产品系列齐全，由于其优良的性能、独特的设计和产品的低成本，在工业及其它领域得到了广泛应用，产生了CAN总线系列标准。

•CAN总线典型的应用标准有：SAE J1939与ISO11783（应用于商业用车领域控制器之间基于CAN的实时数据交换的通讯协议）、CANOpen、CANaerospace（应用于航空航天领域，在精确测量、测试和仿真等领域得到广泛应用）、DeviceNet与SDS（传感器/设备级现场总线）、NMEA 2000（是一种基于J1939标准的通讯协议，国家海军电子联合会（NEMA）制定，用于舰船电子设备连接通讯）等。

7.1.3 CAN通信模型Ø采用OSI-RM中的2层：物理层和数据链路层，同时增加了用户层。

7.1.4 CAN性能特点•CAN总线接口芯片支持8/16位CPU，支持ISA/PCI等PC总线的板卡可以用于PC机，也可置于温度、压力、流量等物理量变送器中，构成智能化仪表。

•CAN总线技术规范为2.0 PART A(2.0A)，PART B(2.0B)。

•CAN废除了传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻，主动地向网上其他节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活，可方便地构成多机（容错）备份系统。

•CAN网络上节点可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求，高优先级数据可在134μs内得到传输。

•CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，有效避免了总线冲突。

CAN性能特点•CAN具有点对点、一点对多点、及全局广播几种数据传输方式。

•CAN支持的拓扑结构为总线型，传输介质为双绞线、同轴电缆和光纤等。

采用双绞线通信时，速率为1Mbps/40m，5Kbps/10km，节点数可达110个。

•CAN采用短帧结构，每一帧数据有效字节数为8个，确保传输时间短，提高了实时性，受干扰概率低，重新发送时间短。

•许多生产厂商在微处理器芯片中嵌入了CAN接口，用户接口简单，开发系统廉价，编程方便，很容易组建用户系统。

•CAN每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适合在强干扰环境中使用。

•采用不归零码NRZ（Non-Return-to-Zero）编码/解码方式，并采用位填充技术插入。

•CAN网络节点在错误严重情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。

7.1.5CAN 系统任意两节点间的传输距离1600波特率(Kbps)1000100100510004010010000有效区域CAN 系统任意两节点之间的最大传输距离7.1.6CAN与其它总线网络比较•基于CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

•CAN作为现场设备级的通信总线和其他总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比，其总线规范已经成为ISO国际标准，被公认为几种最有前途的总线之一。

•CAN接口芯片的生产厂家众多，协议开放，价格低廉，且使用简单，已广泛应用于各种工业测量和控制领域。

•CAN不能用于防爆区，也不适用一次性数据处理量过大或大型网络规模的应用系统，比较适合介质单一、节点数目较少、实时性强、可靠性高的小型网络系统。

CAN与BITBUS/RS485网络的比较：BITBUS/RS485网络的主要缺点有：•是一种主从网络结构，只能有一个主站或主节点，无法构成多主结构或冗余结构系统。

潜在的危险是一旦主节点出现故障，整个系统将处于瘫痪状态，这对主节点的安全性、可靠性要求很高。

•数据通信方式为命令响应式，灵活性较差。

网络上任一节点的数据传输都必须由主节点发出命令，从节点响应后才能发送数据，这样网络数据传输效率大大降低，主节点异常繁忙；如任一节点出现故障，必须等待主节点发送命令反馈后才能确定，这在实时性要求较高的系统是不容许的，有可能造成重大事故，甚至威胁到人身安全。

•BITBUS的通信协议并不符合ISO/OSI-RM规范，其物理层是RS485规范，链路层是SDLC（同步数据链路控制）协议，数据错误处理能力差。

CAN与TCP/IP协议以太网络的比较：工业以太网存在的主要问题有：•数据冲突和安全性问题。

以太网的数据传输存在不确定性，有可能发生数据冲突而导致关键信息的丢失，这对网络安全存在隐患。

•通讯协议幀结构不符合工业网络的需要，如以太网通讯协议的数据幀过长。

•工业网络要求能够适应各种恶劣环境，以太网设备难于满足要求。

7.2CAN技术规范•采用OSI-RM中的2层：物理层和数据链路层。

•物理层（包括物理信令PLS：Physical Signaling；物理介质连接PMA：Physical Medium Attachment；介质相关接口MDI：Medium Dependent Interface）、数据链路层（包括逻辑链路控制子层LLC和介质访问控制子层MAC）。

•LLC子层（目标层）的主要功能是：为数据传输和远程数据请求提供服务，确认LLC子层已接受到报文，同时为恢复管理和通知超载提供信息。

•MAC子层（传送层）的主要功能是：传送规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、错误标定和故障界定等，它是CAN协议的核心。

•物理层的功能是有关全部电气特性在不同节点间的实际传送，描述了位定时、位编码和同步等。

7.2.1MACCAN的分层结构和功能MDICAN数据链路子层间的关系：物理层接口7.2.2 逻辑链路控制（LLC）子层•LLC子层功能：报文（帧）滤波、超载通知和恢复管理•帧接收滤波：在LLC子层上开始的帧跃变是独立的，其自身操作与先前的帧跃变无关。

帧内容由标识符命名，标识符并不能指明帧的目的地，但描述数据的含义，每个接收器通过帧接收滤波确定此帧与其是否有关。

•超载通知：如果接收器内部条件要求延迟下一个LLC数据帧或LLC远程帧，则通过LLC子层开始发送超载帧。

最多可产生两个超载帧，以延迟下一个数据帧或远程帧。

•恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，LLC子层具有自动重发送功能。

在发送成功完成前，帧发送服务不被用户认可。

LLC子层帧结构：•LLC帧是等同LLC实体之间进行交换的协议数据单元LPDU。

•LLC数据帧结构：LLC数据帧由三个位场，即标识符场（ID Field）、数据长度码DLC（Data Length Code）场和LLC数据场（Data Field）组成。

•LLC远程帧结构：LLC远程帧由两个位场，即标识符场和DLC场组成，LLC远程帧与LLC数据帧唯一不同点是不存在LLC数据场。

DLC表示的数据字节数目编码：7.2.3 介质访问控制（MAC）子层•MAC子层功能由IEEE802.3中规定的功能模型描述，在此模型中将MAC子层划分为完全独立工作的两个部分，即发送部分和接收部分，如下图所示。

MAC子层发送功能：•发送数据封装：接收LLC帧及接口控制信息；CRC循环计算；通过向LLC帧附加SOF、RTR位、保留位、CRC、ACK和构造MAC帧报文。

•发送媒体访问管理：确认总线空闲后，开始发送过程（通过帧间空闲应答）；MAC帧串行化；插入填充位（位填充）；在丢失仲裁情况下，退出仲裁并转入接收方式；错误检测（监控，格式校验）；应答校验；确认超载条件；构造超载帧并开始发送；构造出错帧并开始发送；输出串行位流至物理层准备发送。

MAC子层接收功能：•接收媒体访问管理：由物理层接收串行位流；解除串行结构并重新构筑帧结构；检测填充位（解除位填充）；错误检测（CRC、格式校验、填充规则校验）；发送应答；构造错误帧并开始发送；确认超载条件；重激活超载帧结构并开始发送。

•接收数据拆装：由接收帧中去除MAC特定信息；输出LLC帧和接口控制信息至LLC子层。

MAC子层帧结构：•CAN系统中，数据在节点间发送和接收以四种不同类型的帧表示和控制。

•数据帧将数据由发送器传输至接收器。