第13章can总线课件

第13章CAN总线通信协议及其实现方法本章主要内容包括：CAN总线协议介绍CAN控制器SJA1000单片机与CAN总线接口电路设计现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行数字式多点双向通信的数据总线，多用于工控等领域，应用现场总线技术不仅可以降低系统的布线成本，还具有设计简单、调试方便等优点。

同时，由于现场总线本身还提供了灵活而又功能强大的协议，这就使得用户对系统配置、设备选型具有最大的自主权，可以任意组合多种功能模块扩充系统的功能。

在众多的现场工业总线中，CAN是一种具有国际标准而且性能价格比又较高的现场总线。

本章首先介绍了CAN总线协议，接下来对常用的CAN控制器SJA1000进行了重点介绍，最后给出了基于SJA1000控制器和A T89C51单片机的接口设计，为后续章节中关于CAN 总线系统的设计打下基础。

下面先来学习CAN总线的通信协议。

13.1 CAN总线协议介绍随着集成电路和嵌入式电脑在汽车上的广泛应用，现代汽车上的电子控制器的数量越来越多，常见的有发动机的电子燃油喷射装置、防抱死制动装置（ABS）、安全气囊装置、电动门窗装置、主动悬架等。

电控系统的增加虽然提高了轿车的动力性、经济性和舒适性，但随之增加的复杂电路也降低了汽车的可靠性，增加了维修的难度。

从布线角度分析，传统的电子气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，这样必然造成宠大的布线系统。

因此，一种新的概念——汽车上电子控制器局域网络CAN，也就应运而生。

为使不同厂家生产的零部件能在同一辆汽车上协调工作，必须制定标准。

按照ISO有关标准，CAN 的拓扑结构为总线，因此称为CAN总线。

CAN总线被设计作为汽车环境中的微控制器通信，在车载各电子控制装置ECN之间交换信息，在车载各电子控制装置ECN之间交换信息，形成汽车电子控制网络。

控制器局域网CAN（Controller Area Network）是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。

CAN在汽车上的应用，具有很多行业标准或者是国际标准，比如国际标准化组织（ISO）的ISO11992、ISO11783以及汽车工程协会（Society of Automotive Engineers）的SAE J1939。

CAN总线已经作为汽车的一种标准设备列入汽车的整车设计中。

CAN总线目前有两个协议版本，分别为CAN 2.0A和CAN 2.0B，两者之间的主要差别在于前者只提供了11位地址，而后者可以提供29位地址。

本节将以CAN 2.0B为基础进行。

13.1.1 CAN总线主要特点CAN是一种多主方式的串行通信总线，具有极高的实时性和可靠性，最高通信速度可以达到1Mbit/s，是一种十分优秀的现场工业总线。

CAN总线具有如下优点：∙结构简单，只有2根线与外部相连，且内部集成了错误探测和管理模块。

∙通信方式灵活。

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络上的其他节点发送信息，而不分主从。

∙可以以点对点、点对多点或者全局广播方式发送和接收数据。

∙网络上的节点信息可分成不同的优先级，以满足不同的实时要求。

∙CAN总线通信格式采用短帧格式，每帧字节数最多为8个，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。

同时，8个字节也不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。

∙采用非破坏性总线仲裁技术。

当两个节点同时向总线上发送数据时，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。

这大大地节省了总线仲裁冲突的时间，在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪。

∙直接通信距离最大可达10km(速率5kbit/s以下)，最高通信速率可达lMbit/s(此时距离最长为40m)，节点数可达110个，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。

∙CAN总线通信接口中集成了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、循环冗余检验、优先级判别等多项工作。

∙CAN总线采用CRC进行数据检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。

13.1.2 CAN总线协议分层CAN总线协议主要描述设备之间的信息传递方式，从结构上可以分为3个层次，分别对应OSI网络模型的最低两层数据链路层和物理层。

CAN总线协议层次结构由高到低如表同步的解释。

本技术规范没有定义物理层的驱动器/接收器特性，以使允许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。

数据链路层(Data Link Layer)含以下两个子层：∙介质访问控制子层MAC(Medium Access Control)是CAN协议的核心。

它把接收到的报文提供给LLC子层，并接收来自LLC子层的报文。

MAC子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。

MAC子层也受一个名为“故障界定”(Fault Confinement)的管理实体监管。

此故障界定为自检机制，以便把永久故障和短时扰动区别开来。

∙逻辑链路控制子层LLC( Logical Link Control)涉及报文滤波、过载通知、以及恢复管理。

13.1.3 CAN总线报文传输CAN总线在进行数据传输时，每次传输的数据都是由一个位串组成的，这个位串被称之为“帧”。

CAN总线有2种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同：含有11位标识符的帧称之为标准帧，而含有29位标识符的帧为扩展帧。

为了实现数据传输和链路控制，CAN总线提供了4种不同类型的帧，它们分别为：∙数据帧(Data Frame)：数据帧将数据从发送器传输到接收器。

∙远程帧(Remote Frame)：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧。

∙错误帧(Error Frame)：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。

∙过载帧(Overload Frame)：过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。

数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧2种格式。

它们用一个帧间间隔与前面的帧分开带有应用数据的数据帧、向网络请求数据的远程帧、能够报告每个节点错误的出错帧以及如果节点的接收器电路尚未准备好就会延迟传送的过载帧。

在这4种帧结构中，又可以将一帧分为几个部分，每一部分负责不同的功能，这些部分被称为“位场”。

对于帧中的各个位，用“显性”表示逻辑0，用“隐性”表示逻辑1。

下面对不同的帧结构分别进行介绍1。

1. 数据帧数据帧用于将数据从发送器传输到接收器，它由7个不同的位场组成，分别为帧起始(Start of Frame)、仲裁场(Arbitration Frame)、控制场(Control Frame)、数据场(Data Frame)、CRC场(CRC Frame)、应答场(ACK Frame)和帧结束(End of Frame)。

其结构如图13.1所示。

1现场总线CAN原理与应用技术图13.1数据帧结构下面介绍该帧的各个位场。

(1)帧起始帧起始(SOF)由一个显性位组成，表示数据帧和远程帧的开始。

只在总线空闲时才允许站点开始发送(信号)。

所有的站必须同步于首先开始发送报文的站的帧起始前沿。

(2)仲裁场仲裁场由CAN总线标识符和几个控制位组成，用于CAN总线上设备的寻址和帧类型判别。

其中标识符可以是11位(CAN 2.0A)或29位(CAN 2.0B)，分别对应CAN总线协议支持的基本帧和扩展帧。

CAN 2.0A只支持基本帧，CAN 2.0B在支持扩展帧的同时，还兼容基本帧结构。

标准格式帧与扩展格式帧的仲裁场格式不同。

在标准格式里，仲裁场由11位标识符和RTR位组成。

标识符位由ID-28 ~ID-18组成。

数据帧标准格式中的仲裁场如图13.2所示。

图13.2 数据帧标准格式中的仲裁场结构在扩展格式里，仲裁场包括29位标识符、SRR位、IDE位、RTR位。

其标识符由ID-28~ID-0组成。

为了区别标准格式和扩展格式，前版本CAN规范1.0~1.2的保留位r1现在表示为IDE 位。

数据帧扩展格式中的仲裁场如图13.3所示。

图13.3 数据帧扩展格式中的仲裁场结构其各个位功能如下2：2现场总线CAN原理与应用技术（饶运涛_邹继军_郑勇芸）①标识符(Identifier)标准格式中的标识符：标识符的长度为11位，相当于扩展格式的基本ID(Base ID。

这些位按ID-28到ID-18的顺序发送。

最低位是ID-l8。

7个最高位(ID-28 ~ ID-22)必须不能全是隐性。

扩展格式中的标识符：和标准格式对比，扩展格式的标识符由29位组成。

其结构包含两个部分：11位基本ID,18位扩展ID。

在标准帧里，标识符其后是RTR位。

②RTR位(在标准格式和扩展格式中)RTR位为“远程发送请求位"(Remote Transmission Request Bit)。

RTR位在数据帧里必须为显性，而在远程帧里必须为隐性。

在扩展帧里，基本ID首先发送，随后是IDE位和SRR位，扩展ID的发送位于SRR位之后。

③SRR位(属扩展格式)SRR位是“替代远程请求位”(Substitute Remote Request Bit)。

SRR位是一隐性位。

它是在扩展帧中标准帧的RTR位的位置(见图13. 2和13. 3 )被发送，因而替代标准帧的RTR位。

当标准帧与扩展帧发生冲突，而扩展帧的基本ID(参见以下的“扩展标识符”)同标准帧的标识符一样时，标准帧优先于扩展帧。

④IDE位(属扩展格式)IDE位是“标识符扩展位”(Identifier Extension Bit) 。

IDE位属于扩展格式的仲裁场和标准格式的控制场。

标准格式里的IDE位为显性，而扩展格式里的IDE位为隐性。

(3)控制场控制场由6个位组成。

标准格式的控制场格式和扩展格式不同。

标准格式里的帧包括数据长度代码、IDE位(为显性位)及保留位r0。

扩展格式里的帧包括数据长度代码和两个保留位r1和r0。

其保留位必须发送为显性，但是接收器认可显性和隐性位的组合。

控制场的结构如图13.4所示。

图13.4控制场结构控制场中的数据长度部分共有4位，用于表示数据场的长度(最多8个字节)，使用字母(4)数据场数据场由发送的具体数据组成，数据长度可以是0～8个字节，发送时将从高字节开始发送，最后发送低位字节。

(5)CRC场CRC场由CRC序列(CRC Sequence)和CRC界定符(CRC Delimiter)组成。

CRC场结构如图13.5所示。

CRC界定符图13.5 CRC场结构①CRC序列(标准格式和扩展格式)由循环冗余码求得的帧检查序列最适用于位数低于127位（BCH码）的帧。