CAN总线知多少？

　　基本概念

　　CAN 是Controller Area Network 的缩写(以下称为CAN)，是ISO国际标准化的串行通信协议，形成并通过ISO11898 及ISO11519标准认证。在欧洲已是汽车网络的标准协议。

　　CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

　　优势

　　CAN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。较之许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：

　　网络各节点之间的数据通信速率高、实时性强

　　缩短了开发周期

　　已形成国际标准的现场总线

　　特点

　　CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率最高可达1Mbps。

　　1、完成对通信数据的成帧处理

　　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、优先级判别等项工作。

　　2、使网络内的节点个数在理论上不受限制

　　CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识符可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2或2个以上不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，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个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC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。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。

　　3、可在各节点之间实现自由通信

　　CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。CAN总线插卡可以任意插在PC AT XT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。

　　4、结构简单

　　只有2根线与外部相连，并且内部集成了错误探测和管理模块。

　　5、传输距离和速率

　　CAN总线特点：(1) 数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他(一个或多个)节点发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序，高优先级节点信息在134μs通信; (2) 多个节点同时发起通信时，优先级低的避让优先级高的，不会对通信线路造成拥塞; (3) 通信距离最远可达10KM(速率低于5Kbps)速率可达到1Mbps(通信距离小于40M);(4) CAN总线传输介质可以是双绞线，同轴电缆。CAN总线适用于大数据量短距离通信或者长距离小数据量，实时性要求比较高，多主多从或者各个节点平等的现场中使用。

　　技术介绍

　　1、位仲裁

　　要对数据进行实时处理，就必须将数据快速传送，这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。在几个站同时需要发送数据时，要求快速地进行总线分配。实时处理通过网络交换的紧急数据有较大的不同。一个快速变化的物理量，如汽车引擎负载，将比类似汽车引擎温度这样相对变化较慢的物理量更频繁地传送数据并要求更短的延时。

　　CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。如图2所示，当几个站同时发送报文时，站1的报文标识符为011111;站2的报文标识符为0100110;站3的报文标识符为0100111。所有标识符都有相同的两位01，直到第3位进行比较时，站1的报文被丢掉，因为它的第3位为高，而其它两个站的报文第3位为低。站2和站3报文的4、5、6位相同，直到第7位时，站3的报文才被丢失。注意，总线中的信号持续跟踪最后获得总线读取权的站的报文。在此例中，站2的报文被跟踪。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于，在网络最终确定哪一个站的报文被传送以前，报文的起始部分已经在网络上传送了。所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站，并且不会在总线再次空闲前发送报文。

　　CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用，这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。这种方法在网络负载较重时有很多优点，因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了，这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。

　　对于主站的可靠性，由于CAN协议执行非集中化总线控制,所有主要通信，包括总线读取 (许可)控制，在系统中分几次完成。这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法。

　　2、CAN的报文格式

　　在总线中传送的报文，每帧由7部分组成。CAN协议支持两种报文格式，其唯一的不同是标识符(ID)长度不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。

　　在标准格式中，报文的起始位称为帧起始(SOF)，然后是由11位标识符和远程发送请求位 (RTR)组成的仲裁场。RTR位标明是数据帧还是请求帧，在请求帧中没有数据字节。控制场包括标识符扩展位(IDE)，指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一个保留位 (ro)，为将来扩展使用。它的最后四个位用来指明数据场中数据的长度(DLC)。数据场范围为0～8个字节,其后有一个检测数据错误的循环冗余检查(CRC)。

　　应答场(ACK)包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平(逻辑1)，这时正确接收报文的接收站发送主控电平(逻辑0)覆盖它。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。

　　报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位，如果这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状态。

　　3、CAN数据帧的组成

　　>> 远程帧

　　远程帧由6个场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。远程帧不存在数据场。远程帧的RTR位必须是隐位。DLC的数据值是独立的，它可以是0～8中的任何数值，为对应数据帧的数据长度。

　　>> 错误帧

　　错误帧由两个不同场组成，第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，第二个场是错误界定符错误标志具有两种形式：活动错误标志(Active error flag)，由6个连续的显位组成

　　认可错误标志(Passive error flag)，由6个连续的隐位组成错误界定符包括8个隐位

　　>> 超载帧

　　超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。

　　>> 数据错误检测

　　不同于其它总线，CAN协议不能使用应答信息。事实上，它可以将发生的任何错误用信号发出。CAN协议可使用五种检查错误的方法，其中前三种为基于报文内容检查。一种检查错误的方法分别为：循环冗余检查(CRC)、帧检查、应答错误、总线检测、位填充。