第五章CAN总线

第五章CAN总线

第一节CAN总线概述

CAN(Controller Area Network)属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。

CAN最初出现在80年代末的汽车工业中，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复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线,所有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）。

与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的,世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。今天，在欧洲几乎每一辆新客车均装配有CAN局域网，CAN已经成为全球范围内最重要的总线之一，甚至领导着串行总线。在1999年，接近6千万个CAN控制器投入使用；在2000年，市场销售超过1亿个CAN器件。

一、CAN总线的技术特点

(1)CAN工作于多主方式，网络上任意一个节点均可在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。

(2)CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时性要求，高优先级的数据最快可在134μs内得到传输。

(3)CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大地节省了总线仲裁时间。在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。

(4)CAN网络具有点对点、一点对多点和全局广播等几种通信方式。

(5)CAN的直接通信距离最远可达10km（速率在5kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）。

(6)CAN上节点主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；报文表示可达2032

种（CAN 2.0A），而扩展标准（CAN 2.0B）的报文标识几乎不受限制。

(7)采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。

(8)CAN的每帧信息都有CRC校验气气他检错措施，保证了极低的数据出错率。

(9)CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。

(10)CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。

二、基本术语与概念

(1)报文（Messages）

(2)信息路由（Information Routing）

(3)位速率（Bit Rate）

(4)优先权（Priorties）

(5)远程数据请求（Remote Data Request）

(6)多主机（Multimaster）

(7)仲裁（Arbitrtion）

(8)安全性（Safety）

(9)错误标定和恢复时间（Error Signaling and Recovery Time）

(10)故障界定（Fault Confinement）

(11)连接（Connections）

(12)单一通道（Single Channel）

(13)总线值的表示（Bus Values）

(14)应答（Acknowledgment）

(15)休眠模式/唤醒（Sleep Mode/Wake-up）

第二节CAN的技术协议规范

随着CAN在各种领域的应用与推广，对其通信格式的标准化提出了要求。为此，1991年9月，Philips半导体公司（2006年9月1日，更名为NXP半导体公司）制订并发布了CAN技术规范（Version2.0）。该技术规范包括A和B两部分。

2.0A给出了CAN报文标准格式（11位标识符），而2.0B给出标准的（11位标识符）和扩展的（29位标识符）两种格式。1993年11月，ISO正式颁布了公路车辆—数字信息交换—用于高速通信的控制器局域网（CAN）国际标准ISO11898以及低速标准ISO11519-2，为控制器局域网的标准化、规范比铺平了道路。ISO11898和ISO11519-2标准对于数据链路层的定义相同，但物理层不同。

一、CAN协议的分层结构

为使设计透明和执行灵活，CAN只采用了ISO/OSI标准模型中的两层：

✓数据链路层：包括逻辑链路控制子层(Logical Link Control，LLC )和媒体访问控制子层(Medium Access Control，MAC)。

✓物理层：包括物理信号子层(Physical Layer Signal，PLS) 、物理介质连接(Physical Medium Attachment，PMA)和介质相关接口(Medium Dependent

Interface，MDI) 。

在CAN技术规范2.0A的版本中，数据链路层的LLC和MAC子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”。

1.物理层

物理层定义信号是如何进行传输的，各部分的功能如下：

(1)物理层信号PLS：实现位定时、位编码/解码、同步等功能。

✓理想发送器在没有重同步的情况下，每秒发送的位数定义为标称位速率，定义其倒数为标称位时间，它可分为同步段、传播段、相位缓冲段1和相位缓冲段2等几个互补重叠的时间段。

✓CAN位流根据“不归零”NRZ方式来编码，即在整个位时间里，位电平要么为