CAN总线基础(1)—CAN简介及特点

1、1.CAN是什么?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。在当前的汽车产业中，岀于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了岀来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应 减少线束的数量”、通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发岀面向汽车的CAN通信协议。此后， CAN 通过ISO11898 及ISO11519进行了标准化，现在在欧洲 已是汽车网络的标准协议。现在

2、，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。下图是车载网络的构想示意图。CAN等通信协议的开发，使多种LAN通过网关进行数据交换得以实现。1信息部二CANhtopCAN11胎司CAN50 0kbps故障诊断部 CAN规格）诊断工具2.CAN的应用实例G5 时 wiWi Wiper CDrCroiWiHkff wtrcrf C> audio心Ck4*+(jplimBte Cqrtrol)*1*1*Cjuatef_y*'DEngineMataor COfitngi CenttrMotor wriFBiF»Mr*gtf d&#

3、171;btc»nSwtflhi eonirgi3«Z 弭Di#l :CANtW思MEM44SC»3T * 曲"Wtr* 耳 CAHwiR： i IJMn»trijr ,»:LJNU IM3.总线拓扑图CAN控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平, 二者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。CAN的连接示意图CAN500kbpsDDM*PDMCAN125kbp$4.CAN的特点CAN 协议具有以下特点：（1） 多主控制在总线空闲时，所有的单元都可开始发送消息（多主控制）。最先访问

4、总线的单元可获得发送权（ CSMA/CA 方式）。 多个单元同时开始发送时，发送高优先级 ID 消息的单元可获得发送权。（2）消息的发送在 CAN 协议中，所有的消息都以固定的格式发送。总线空闲时，所有与总线相连的单元都 可以开始发送新消息。两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符（Identifier 以下称为 ID ）决定优先级。 ID 并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的优先级。两 个以上的单元同时开始发送消息时， 对各消息 ID 的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜 （被判 定为优先级最高）的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。（3）系统的柔

5、软性与总线相连的单元没有类似于 “地址”的信息。因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其 它单元的软硬件及应用层都不需要改变。（4）通信速度根据整个网络的规模，可设定适合的通信速度。 在同一网络中，所有单元必须设定成统一的通信速度。即使有一个单元的通信速度与其它的 不一样，此单元也会输出错误信号， 妨碍整个网络的通信。 不同网络间则可以有不同的通信速度。（5）远程数据请求可通过发送“遥控帧” 请求其他单元发送数据。（6）错误检测功能 错误通知功能 错误恢复功能 所有的单元都可以检测错误（错误检测功能）。检测出错误的单元会立即同时通知其他所有单元（错误通知功能）。 正在发送消息的单元一旦检测出错

6、误，会强制结束当前的发送。强制结束发送的单元会不断 反复地重新发送此消息直到成功发送为止（错误恢复功能）。（7）故障封闭CAN 可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误（如外部噪声等）还是持续的数据错 误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）。由此功能，当总线上发生持续数据错误时，可将 引起此故障的单元从总线上隔离出去。（8） 连接CAN 总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没有限制的。但实际 上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。 降低通信速度，可连接的单元数增加； 提高通信速度，则可连接的单元数减少。1.CAN 的错误状态类型单元始终处于 3 种状态之一

7、。(1) 主动错误状态主动错误状态是可以正常参加总线通信的状态。处于主动错误状态的单元检测出错误时，输出主动错误标志。(2) 被动错误状态被动错误状态是易引起错误的状态。处于被动错误状态的单元虽能参加总线通信，但为不妨碍其它单元通信，接收时不能积极地 发送错误通知。处于被动错误状态的单元即使检测岀错误，而其它处于主动错误状态的单元如果没发现错 误，整个总线也被认为是没有错误的。处于被动错误状态的单元检测岀错误时，输岀被动错误标志。另外，处于被动错误状态的单元在发送结束后不能马上再次开始发送。在开始下次发送前， 在间隔帧期间内必须插入延迟传送” (8个位的隐性位)。(3) 总线关闭态总线关闭态是

8、不能参加总线上通信的状态。信息的接收和发送均被禁止。这些状态依靠发送错误计数和接收错误计数来管理，根据计数值决定进入何种状态。错误状 态和计数值的关系如表 1及图所示。ft 1 馆僵秋茲和计数備/元镭逞状衣发送檔送计JKtflTEC »接牧題送计Bltft (REC)0-t27M0-*127128-555販12S-255总兹关沏态耐一初始状态TEC :发送错误计数值REC :接收错误计数佰图：单元的错误状态2.错误计数值发送错误计数值和接收错误计数值根据一定的条件发生变化错误计数值的变动条件如表2所示。一次数据的接收和发送可能同时满足多个条件。错误计数器在错误标志的第一个位岀现的时间

9、点上开始计数播量科挺送卅溟计故茁的变动条件发谨tB谊计裁恒(TEC)播收遂计裟恒(REC)1W吋.计徽平加-_-+12撰收元在岌送託搆遏标忠后楼测甸前弟一乍应为扯洋融*83握进元衽輪出備逢标若时.刑14握送单元程发議主动轿谋挣吉戴过就檢冬时.楼测出位牌 谍.+8播牧尊元在发醸主动1»谍挣恚哎过様g时检酬出6養无从主越事标悲、过竝豈车的开绘抽测出逢惯14 牛僅的磁性僅时”之后* lanwanite的8牛苗的靈性悄时+S7桂萬岀衣權动输退标衣待遑加的连壊$个位的展惟位时.蚩送时视收时8麗送元正常程送界捋蛇束討他刨ACK H刘軸帖就也耒 检测出n侵討-1TECM）时 ±09疫牲单

10、元正常用牧磁揖描東时(H CRC薰檜器忠错淇且正 常返風ACK討kRECLl27tf-lREC=0 Bl±0REC 127 H* REC-12710赴十总翌天闭芒的单兀，堆為到128反iiNMI于位的矗 ttft.TEOOREC=O1. CAN协议的基本参照模型CAN协议如表3所示涵盖了 ISO 规定的OSI基本参照模型中的传输层、数据链路层及物理层。CAN协议中关于ISO/OSI 基本参照模型中的传输层、数据链路层及物理层，具体有哪些定义如图所示«3. iso/osi1SO/OSI垂本0超横型各廛定义的主參序月7 9；应用事由实际应用堆停据俱可+.開的戦务&启工进

11、讦15呃羸瑯网式的詁帙如L文字设宦.戟播汕编.加密唏的控制««*金话属脚理立窑话式的通馆.控制数据正确地技牧和发3L4fi.控制歿捉传险的的厚.传送績谨的恢童输.tXliififa的品质Mir错滇修正*廉传铀揑削*3 9x HffiSifilTlSff传送的晁由透译取申握- Mr 11元何的数据交検.地城翟理.将输履JR收的怕号I检序列 ffiKKXXMftff，alAMViM&m 蓉戢垂传箱揑制虎程Mr访问曲方法"独轉的陪式，潇值方武*连接控制方!t阁爭万武，楹欄方玫.应衿方式，通値方式，5 «第，的期成.位的刮方盍包括悅时序条件1J3* 理用

12、抚定了通倍时便用詰电慷，屋械聽箱的憲it电吒佬峙規格誓以实班 设普涌的傅号椿誉.如僵号电平.wata.电al邊權恭募豹整亦.7应用味6衰示绘5会话煤4熊2數据>#'LLC TMAC"31 4-Jta*£ rirOSI基本克鬧樓蛰孱定丈事项4层冉璇送控制(1 LC)接收漬恵的择 t可槿收消豊的过遽：可点剁虑连按.广n退hl过数通知通知接牧宙餐简未宪成谣误恢总功卷(MAC)消患的帧化过戟輪4神輛娄型建接控制方式:竞争方式支持务总传送啟輛冲突时的仲载帳攥性就仇先驶高的2可琳缆故理扩tlr抑制功虢排氷故障节点谓渓通知CRca.壌充位悄溟、 溝土 AQKtfl堵式怖復诸

13、潰检测所有单元都可画时检测骼議应等方武ACK. NACKffiW通值方式半双工通值1层位舉码方式NRZ方式塢网名不位的猶入 須孔也"位时序也时律.忖的采甘跟用户遠擇'同歩方式播携同步HhSS冥现同步：并 具有再同歩功昶；在各焦中CAN定义舉疏图：ISO/OSI基本参照模型和 CAN协议数据链路层分为 MAC子层和LLC子层，MAC子层是CAN协议的核心部分。数据链路层的功能是将物理层收到的信号组织成有意义的消息，并提供传送错误控制等传输控制的流程。具体地说，就是消息的帧化、仲裁、应答、错误的检测或报告。数据链路层的功能通常在CAN控制器的硬件中执行。在物理层定义了信号实际的发

14、送方式、位时序、位的编码方式及同步的步骤。但具体地说， 信号电平、通信速度、采样点、驱动器和总线的电气特性、连接器的形态等均未定义。这些必须 由用户根据系统需求自行确定。2. ISO 标准化的 CAN协议CAN 协议经ISO 标准化后有ISO11898 标准和ISO11519-2标准两种。ISO11898 和ISO11519-2 标准对于数据 链路层的定义相同，但物理层不同。关于ISO11898ISO11898是通信速度为 125kbps-1Mbps 的CAN 高速通信标准。目前，ISO11898追加新规约后，成为ISO11898-1新标准。(2)关于 ISO11519ISO11519-2 是

15、ISO11519-1追加新规约后的版本。下图 表示CAN 协议和ISO11898 及ISO11519-2 标准的范围 ISO未对此部廿港补林准优CAN的再童送控H功能*杜侣0狎8剜1151亠2中标准优數甥基路臨最辆理属的一部井在ISO中进钎了标准优一对干数螞橇踣廉.ISQT1898和ISO11SS2-2 罡义的内界柑同.时于轲理屣+ 1501代98和鸣0廿阴9卫定文的内舂不简-CAN协辿罡宾的部分can鶴过中Jsoiiaaa/11519-s定冥标准址的韶分图：ISO 标准化的CAN协议3. CAN和标准规格不仅是ISO，SAE等其它的组织、团体、企业也对CAN协议进行了标准化。基于CAN的各种

16、标准规格如表 6所示，如图所示，面向汽车的通信协议以通信速度为准进行了分类。去6 C負忡协过和标准坯務Wt8SA£ JlStl250k双At式.尿耀双蚁境卡车，AS5SAE J1939 12250k眾拔式一12V苗电叢用机械2aE J2284MM*汽车离谩'越力、传动季缰SAE J2411133 3*、筆婿式ffittt车身廉STNMEA-200062 5*. 125k. 250k.SOOk. 1MSWttft屛药取燈罐供电DeviceNet125k. 250k. 500k双馥式、屏毎戏奴理24V ft 电工业役备CANopen10k. 20k. 50*(h 125k.250

17、k. 500k. BOOH* 1M取嫌式、可诸MS.供电）工业设备SDS125k. 250k. 500k. 1M取糧球.工业谁Class2通flf速废用谨通信 * 光诵信Clas» AClass BC1a$& CClass D2 10kbps车身系统灯光类.电话窗、门 倾.电功禱、暹控门10ki>p$ 125kbps 子仪袁琲胖倍 （状态信息痍统J息、巳功空谓枚125kbps* 1Mbps实时控制系统发动机控制*变超器 投制.诃车搜利、« 挂（SSk ABS磚ttttCAR (*l25kLp)弔菽J LINJI650 « VAN««

18、;CAN (12$M>P5IMbps* Safe-by-Wire各充车厂商自百5Mbps-r参嫌体、D2B Optical MOST rEEE 1394图：通信协议分类CAN总线基础（4） CAN协议报文1.帧的总类通信是通过以下 5种类型的帧进行的。数据帧遥控帧错误帧过载帧帧间隔11个位的标识符另外，数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有（Identifier:以下称ID ），扩展格式有 29个位的ID。各种帧的用途如表7所示，各种帧的构成如图1图5所示。:1D-&47H 嵋 Man* *crcT|jrfc-riLMk彗匸Trt胆6蔺超四|ftTDLC11-is

19、1114J丽申嗎式箱声1 -“.JRDD/R RS7 幢的輯變駁佬谨轉乎扳这单元间播牧尊元皆12戡SH的社"用于援牧第元问具在対同1D貳复送单元博黒戳囱的統gut用于学牯醐出诸俣腐购其£厚冗ifi知皓富酌幅*用予播收舉元通却葬商米IltPfff收耒音的皱再：再器呃的Q冷枝肝匸冋更匸九痛卉来耸帙图i.数据帧的构成Mxn wanH11 10£巾CRI* 1? + 心1.II|tl AC"却H) .AC*卜+1Fr415I-1711CfCCJtACKH Mtfl«D3=FR图2.遥控帧的构成860-6图3.错误帧R：檢询侣泯标志D:主功橹课标志沖載失

20、屮人从下一牛开帕转为楼收状态工柞168111!<Dd沖載失屮人从下一牛开帕转为楼收状态工柞图4.过载帧308底唱念拔空词沖載失屮人从下一牛开帕转为楼收状态工柞沖載失屮人从下一牛开帕转为楼收状态工柞r.380co图5.帧间隔2.优先级的决定在总线空闲态，最先开始发送消息的单元获得发送权。多个单元同时开始发送时，各发送单元从仲裁段的第一位开始进行仲裁。连续输岀显性电平 最多的单元可继续发送。仲裁的过程如图所示。图.仲裁过程3.位填充位填充是为防止突发错误而设定的功能。当同样的电平持续5位时则添加一个位的反型数位填充的构成如图 所示。R(1)发送单元的工作在发送数据帧和遥控帧时，SOFCRC段

21、间的数据，相同电平如果持续5位，在下一个位(第6个位)则要插入 1位与前5位反型的电平。(2)接收单元的工作在接收数据帧和遥控帧时，SOFCRC段间的数据，相同电平如果持续5位，需要删除下一个位（第6个位）再接收。如果这个第6个位的电平与前 5位相同，将被视为错误并发送错误帧。4.错误的种类错误共有5种。多种错误可能同时发生。位错误填充错误 CRC错误格式错误 ACK错误错误的种类、错误的内容、错误检测帧和检测单元如表9所示。9 琨d襄扫应曲谋帯桂漏軸11 >特刑元当荊讪事不亠料*1所梢潮型的 >SOFEOF> 11 砂 SOFeoF 11««b*过底快元

22、 AM <SOF-CACUf)* A1SK SOFCRC駅送悄元按收元CfiC请谡MffttK的m撐计JI出常CRC tt« 与播收到的CRC廝哼冬同时所桂測 的的til茂« fl«K cCRCJi?* 疽处 CRCJRff >祥剂岀与固龙福氏的m谡紺反的序梵时所楮看豹的蝎课CRC界宣幷一 ACK界宦符EOFi it蹄GRCII龙幷、EOF* MiX界宝捋 iclELfl ZRACKfflui发値元农ACKffl（ACKW）申检薦 出4村壯孚时所粧廉谓的11遛ACK 没融甘适过星的箭腔鼎卅药11慣 ACK« ifi" ACK ft5

23、.位时序由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的位数称为位速率。一个位可分为4段。同步段（SS）传播时间段（PTS）相位缓冲段1 （ PBS1）相位缓冲段2（ PBS2）这些段又由可称为 Time Quantum（以下称为 Tq ）的最小时间单位构成。1位分为4个段，每个段又由若干个 Tq构成，这称为位时序。1位由多少个Tq构成、每个段又由多少个 Tq构成等，可以任意设定位时序。通过设定位 时序，多个单元可同时采样，也可任意设定采样点。各段的作用和 Tq数如表11所示。1个位的构成如图所示。Jt. 逍歷其件埔Tqtt的单冗通过it股玄理盯序iTq&-SS Synchfomzab&

24、;n Segment.调畫.伺步进行撲tt和挨雄的工徉.平饥总性电平前边滔我由宜垃生平炉肚性起 字边沿廉甘出现8址用中2STqPTS： Propagatjon Ttm甘 Segment -阳于吸收冑蜡上的嵩at迪迟的塩曲屛的网堵的桶讨址迟祀崔逹单元的惱出垃 迟、总AE上借号萌性扭收兀的Wi入JM*筑于讯的时间为口上备延迟时闷叫和的两倍t flTq旧偉t»冲锻1(PBS 1 Phase Buffer $4gm«nt 1)与记不曉緘凯含于55饺中rr可科itai&rjWtt 1眄(PBS2 Pha&e Buffer Segment 2rtiTfi*元以書自揑订的时禅工性.地啦酌时 钟£臺除罷职起耒- PBS （J &1用丁®咗此迓 1通过対扫住班中KttMSJ缭牧谋董 ；A 修矚囲MSJW加大右允许诅盖加大2afSiftlSTR2-aTq(SJW Synchromzabcwl Jump V'idlh峙選n退科，再豪元补问出 ms SJW Atkft此渥超的1- 4T<(设定示例1