CAN总线接□模块工作原理

CAN总线接□模块工作原理

控制器局域网（CAN）模块是用于与其他外围设备或单片机进行通信的模块，这种接口协议能在较大的噪声环境中进行通信，具有良好的扰干扰性能。

CAN模块是一个通信控制器，执行的是Bosch公司的CAN2.0A/B协议。它能支持CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.OB协议的旧版本和CAN2．OB现行版本，此控制器模块包含完整的CAN系统。

CAN模块由协议驱动和信息缓冲及控制组成，CAN协议驱动CAN总线上接收和发送信息的所有功能。信息装载到某个相应的数据寄存器后再发送，通过读相应的寄存器可检查状态与错误信息。在CAN总线上检测到的任何信息都要进行错误检查，然后与过滤器进行比较，判断是否被接收和存储到两个接收寄存器之一。

2．CAN模块支持的帧类型

CAN模块支持以下帧类型：标准数据帧、扩展数据帧、远程帧、出错帧、过载帧和空闲帧。

（1）数据帧。

用于各节点之间传送数据消息，由7个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。数据帧结构如图1所示。

图1数据帧组成

（2）远程帧。

当CAN网络上一个节点需要其他节点所拥有的数据信息时，可以通过发送远程帧来请求另一节点发送。该远程帧的标识符标识了所需数据的类型，因此，被送回的数据信息的标识符和远程帧的标识符完全一致。数据源节点在接收到远程帧后，根据远程帧的标识符判断所需数据信｀患类型，并在总线空闲时将相应数据送出。远程帧由6个位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。除了没有数据场和RTR为隐性外，远程帧结构和数据帧完全相同，远程帧结构如图2所示。

图2远程帧结构

（3）错误帧。

为进行错误界定，每个CAN控制器均设有两个错误计数器：发送错误计数器（TEC）和接收错误计数器（REC）。CAN总线上的所有节点按其错误计数器数值情况可分为3个状态：错误活动状态、错误认可状态和总线关闭状态。节点状态转换如图3所示。

图3节点状态转换

上电复位后，两个错误计数器的数值都为0，节点处于错误活动状态，可正常参与总线通信，检测到错误时，发送活动错误标志。当错误计数器任一数值超过127时，节点进入错误认可状态。处于错误状态的节点可参与总线通信，但出错后，发送认可错误标志，并在开始进一步发送数据之前等待一段附加时间（暂停发送场）。

当发送错误计数器和接收计数器均小于或等于127时，节点从错误认可状态再次变为错误活动状态。若发送错误计数器数值超过255后，节点进入总线关闭状态，既不能向总线发送数据，也不能从总线接收数据。当软件执行操作模式请求命令，并等待128次总线释放（BusˉFree）序列（11位连续隐性位）后，节点从总线脱离状态重新回到错误活动状态。

错误帧由两个不同的位场组成，第一个场由来自不同的节点的错误标志叠加而成，第二个场为错误界定符，错误帧结构如图4所示。

图4错误帧结构

（4）过载帧。

超载帧由超载标志和超载界定符组成。超载标志由6个显性位组成，其格式与活动错误标志相同。超载界定符由8个隐性位组成，其格式与错误界定符相同。导致发送超载帧的两个条件为：

①一个接收节点内部接收条件未准备好，要求延迟下一个数据帧或远程帧发送；

②在间歇场（3位）检测到显性位。

当超载标志发出后，每个节点监视总线状态，直至检测到从显性至隐性位的跳变，此时，所有的节点均己完成了超载标志的发送，随后所有节点开始发送8个隐性位组成的超载界定符，超载帧结构如图5所示。

图5超载帧结构

（5）空闲帧。

数据帧及远程帧与前帧消息之间的间隔被称为帧间空间的场隔开，如图6所示，帧间

图6不包含暂停发送场的帧间空间

空间由间歇场和总线空闲场组成，前面已经发送过报文的错误节点还包括暂停发送场。间歇场由3个隐性位组成，在此期间，CAN节点不进行帧发送。间歇场的存在使CAN控制器在下次消息发送前有时间进行内部处理操作。

总线空闲场可以为任意长度，此时总线处于空闲状态，允许任何节点开始报文发送。等待报文发送的节点紧随间歇场后启动报文发送，即在空闲场第一位期间就启动报文发送。

如图7所示，错误认可节点完成一个报文发送后，在开始另一次报文发送或进入总线空闲状态之前，紧随间歇场发送8个隐性位的暂停发送场。发送暂停发送场期间，若其他节点开始发送报文，则本节点停止送出暂停发送场，并变为报文接收器。

图7包含暂停发送场的帧间空间

（6）标准数据帧。

标准数据帧的结构如图8所示。

图8标准帧格式

（7）扩展帧。

扩展帧的结构如图9所示。

图9扩展帧格式

3．传输过程中的可靠性和同步问题

（1）可靠性。

CAN网络通信要求信息可靠传送，但由于外界干扰不可避免地会对通信线路造成影响，误码总是客观存在的，所以网络通信中必须采取某些差错控制措施。

当出现错误时，及时发现错误并及时加以纠正。为提高抗干扰能力和数据的可靠性，CAN采用了多种错误检测手段：发送监视、位填充错误检测、CRC校验、格式错误检测以及应答错误检测。

为保证CAN网络中节点间的正常通信，必须对报文的位定时作出规定。接收同步、网络传输延迟补偿及采样点定位均由CAN协议集成电路的可编程位定时逻辑确定。CAN中正常位速率被定义为：在不需要重同步的情况下，每秒传送的位数。正常位定时被定义为一位的持续时间，实际上就是正常位速率的倒数。

（2）同步问题。

位时间可划分为4个互不重叠的时间段：同步段（SYNC￣SEG：SynchronizationSegment）、传播段（PROPˉSEG：Propagation Segment）、相位缓冲段1（PHASEˉSEG：Phase Bufer Segment1）及相位缓冲段2（PHASE－SEG2：Phase Bufer Segment2）。

同步段用于总线上各节点消息传输同步，长度为一个时间份额，此段内需要一个跳变沿。传播段用于补偿网络内的物理延迟时间，它是信号在总线上传播时间、输入比较器延迟和输出驱动器延迟之和的两倍，长度可被编程为1～8个时间份额。实际上，在CAN协议集成器件中并没有定义此段。

相位缓冲段用于补偿上升沿或下降沿的相位误差，通过重同步，这两个时间段可被用户延长或缩短。相位缓冲段1长度可编程为1～8个时间份额，相位缓冲段2长度取值为相位缓冲段1最大值和消息处理时间之和，消息处理时间个于等于两个时间份额（这一点在CAN 协议集成器件中并未严格遵守，实际应用中相位缓冲段1比相位缓冲段2长）。

由采样点开始，保留用于计算后续位电平的时间段被定义为消息处理时间，其长度小于或等于2个时间份额。总线电平在采样点被读取，所以此点代表该位的数值大小。采样点位于相位缓冲段1的末尾处。

时间份额是由振荡器时钟分频得出的一个固定时间单元，在CAN协议集成器件中被称为系统时钟周期，可由一个预分频器设定大小，时间份额由下式计算：

时间份额=m×最小时间份额

其中m为预分频器系数，最小时间份额在CAN集成器件中被称为振荡器时钟周期。一个位时间中时间份额总数必须被编程在8～25之间。

网络常采用的同步方式有两种：准同步和标准同步。准同步又称独立同步，各节点均拥有时间独立的高稳定度振荡时钟，它们的频率并不一定完全相等，但必须时间相近。准同步的优点是同步体系简单，容易实现，缺点是工作可靠性较差。

标准同步又分为主从同步法和相互同步法两种，主从同步方法中，各网络节点的时钟以在网络中处于重要位置的节点时钟为基准。其优点是结构相对简单，网络稳定性好，缺点是网络过分依赖于主时钟，有全网瘫痪的危险。