01CAN總線的起源

1.1 CAN總線的由來

CAN是Controller Area Network的縮寫（以下簡稱CAN）。是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議。

在當前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性，舒適性，方便性，低公害，低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之快速增加。為適應“減少線束數(shù)量”，“通過多個LAN，進行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986年德國電氣商BOSCH開發(fā)出面向汽車的CAN通信協(xié)議。

此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進行了標準化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標準協(xié)議。

1.2 CAN總線的歷史

1983年，BOSCH開始研究車上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1986年，BOSCH在SAE大會公布CAN協(xié)議

1987年，Intel和Philips先后推出CAN控制器芯片

1991年，BOSCH頒布CAN2.0技術(shù)規(guī)范，CAN2.0包括A和B兩個部分

1991年，CAN總線最先在Benz S系列轎車上實現(xiàn)

1993年，ISO頒布CAN國際標準ISO11898

1994年，SAE頒布基于CAN的J1939標準

2003年，Maybach發(fā)布了帶76個ECU的新車型（CAN LIN MOST）

2003年，VW發(fā)布帶35個ECU的新型Golf

目前，CAN總線已經(jīng)被廣泛的應用于汽車上，且未來很長一段時間，CAN總線仍會繼續(xù)在車上繼續(xù)使用。

1.3?主要的車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

圖1 常見車載總線特點對比

MOST總線作為一種新型的總線形式，面向媒體的系統(tǒng)傳輸 總線，MOST 是汽車業(yè)合作的成果，而不具備正式的標準，因而目前量產(chǎn)車型中很少見。

LVDS總線在當前的輔助駕駛系統(tǒng)中較為常見，是輔助駕駛系統(tǒng)中攝像頭采集數(shù)據(jù)的主要傳輸形式，后續(xù)若同學們感興趣，會單獨出一篇LVDS的介紹文章與大家分享，感興趣的同學可以關(guān)注本賬號，留言回復。

2CAN總線的標準

2.1 CAN2.0版本

2.0A—將29位ID視為錯誤

2.0B被動—忽略29位ID的報文

2.0B主動—可處理11位和29位兩種ID的報文,相對于2.0A增加了拓展幀的數(shù)據(jù)定義。

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表1 CAN2.0不同版本的區(qū)別

2.2 CAN拓撲結(jié)構(gòu)

圖2—高速及低速CAN總線的拓撲結(jié)構(gòu)

CAN總線包括CAN_H 和 CAN_L 兩根線。節(jié)點通過CAN控制器和CAN收發(fā)器連接到CAN總線上

2.3 CAN總線電平

在CAN總線上，利用CAN_H和CAN_L兩根線上的電位差來表示CAN信號。CAN總線上的電位差分為顯性電平和隱性電平。其中顯性電平為邏輯0，隱性電平為邏輯1。

ISO11898標準（125kbps ~ 1Mbps）和ISO11519標準（10kbps ~ 125kbps）中CAN信號的表示分別如下所示：

圖3 CAN總線的電平信號

圖4 顯性及隱形電平的表示

2.4 CAN總線的分層

圖5 CAN標準的OSI參考模型

CAN總線網(wǎng)絡(luò)底層只采用了OSI基本參照模型中的數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層。而在CAN網(wǎng)絡(luò)高層僅采用了OSI基本參照模型的應用層

在CAN協(xié)議中，ISO標準只對數(shù)據(jù)鏈路層和物理層做了規(guī)定。對于數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的一部分，ISO11898和ISO11519-2的規(guī)定是相同，但是在物理層的PMD子層和MDI子層是不同的。

圖6 物理層與數(shù)據(jù)鏈路層

其具體的定義內(nèi)容如下

圖7 物理層與數(shù)據(jù)鏈路層定義

03CAN總線數(shù)據(jù)

3.1 CAN的特性

3.1.1 載波偵聽

網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前都要檢測總線上是否有數(shù)據(jù)傳輸

網(wǎng)絡(luò)上有數(shù)據(jù)—不發(fā)送數(shù)據(jù)，等待網(wǎng)絡(luò)空閑

網(wǎng)絡(luò)上無數(shù)據(jù)—立即發(fā)送已經(jīng)準備好的數(shù)據(jù)

3.1.2 多路訪問

網(wǎng)絡(luò)上所有的節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)共同使用同一條總線，且發(fā)送數(shù)據(jù)是廣播式的

3.1.3 沖突避免

節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中要不停地檢測發(fā)送的數(shù)據(jù)，確定是否與其他節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)生沖突

3.1.4 保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致性

CAN提供了一套復雜的錯誤檢測與錯誤處理機制，比如CRC檢測，接口的抗電干擾能力，錯誤報文的自動重發(fā)，臨時錯誤的恢復以及永久錯誤關(guān)閉。

?3.2 CAN的幀格式

在總線中傳送的報文，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報文格式，其唯一的不同是標識符（ID）長度不同，標準格式為11位，擴展格式為29位。

圖8 CAN總線的幀類型和結(jié)構(gòu)

在標準格式中，報文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標識符和遠程發(fā)送請求位 (RTR）組成的仲裁場。RTR位表明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀，在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。

控制場包括標識符擴展位（IDE），指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro），為將來擴展使用。它的最后四個位用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度（DLC）。數(shù)據(jù)場范圍為0～8個字節(jié),其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC）。

應答場（ACK）包括應答位和應答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平（邏輯1），這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平（邏輯0）覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個站能正確接收到報文。

報文的尾部由幀結(jié)束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位，如果這時沒有站進行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。

3.3 CAN總線的數(shù)據(jù)幀組成

3.3.1 遠程幀

遠程幀由6個場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應答場和幀結(jié)束。遠程幀不存在數(shù)據(jù)場。

遠程幀的RTR位必須是隱位。

DLC的數(shù)據(jù)值是獨立的，它可以是0～8中的任何數(shù)值，為對應數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度。

圖9 遠程幀的格式

3.3.2 錯誤幀

錯誤幀由兩個不同場組成，第一個場由來自各站的錯誤標志疊加得到，第二個場是錯誤界定符

錯誤標志具有兩種形式：

活動錯誤標志（Active error flag），由6個連續(xù)的顯位組成

認可錯誤標志（Passive error flag），由6個連續(xù)的隱位組成

錯誤界定符包括8個隱位

圖10 錯誤幀的格式

3.3.3 超載幀

超載幀包括兩個位場：超載標志和超載界定符

發(fā)送超載幀的超載條件：

要求延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀

在間歇場檢測到顯位

超載標志由6個顯位組成

超載界定符由8個隱位組成

3.4 數(shù)據(jù)錯誤檢測

不同于其它總線，CAN協(xié)議不能使用應答信息。事實上，它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯誤的方法，其中前三種為基于報文內(nèi)容檢查。

圖11 CAN總線錯誤類型

3.4.1循環(huán)冗余檢查（CRC)

在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。

3.4.2 幀檢查

這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性，用于檢查格式上的錯誤。

3.4.3.應答錯誤

如前所述，被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發(fā)送站未收到應答，那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯誤，也就是說，ACK場已損壞或網(wǎng)絡(luò)中的報文無站接收。CAN協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯誤。

3.4.4 總線檢測

有時，CAN中的一個節(jié)點可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。因此，發(fā)送報文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。

3.4.5 位填充

一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示，可保證位編碼的最大效率。然而，如果在一幀報文中有太多相同電平的位，就有可能失去同步。為保證同步，同步沿用位填充產(chǎn)生。在五個連續(xù)相等位后，發(fā)送站自動插入一個與之互補的補碼位；接收時，這個填充位被自動丟掉。例如，五個連續(xù)的低電平位后，CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯誤，如果在一幀報文中有6個相同位，CAN就知道發(fā)生了錯誤。

3.5 CAN總線的錯誤處理

在CAN總線中存在5種錯誤類型，它們互相并不排斥，下面簡單介紹一下它們的區(qū)別、產(chǎn)生的原因及處理方法

3.5.1 錯誤產(chǎn)生的原因

位錯誤:向總線送出一位的某個節(jié)點同時也在監(jiān)視總線，當監(jiān)視到總線位的電平和送出的電平不同時，則在該位時刻檢測到一個位錯誤。但是在仲裁區(qū)的填充位流期間或應答間隙送出隱性位而檢測到顯性位時，不認為是錯誤位。送出認可錯誤標注的發(fā)送器，在檢測到顯性位時也不認為是錯誤位。

填充錯誤:在使用位填充方法進行編碼的報文中，出現(xiàn)了第6個連續(xù)相同的位電平時，將檢 測出一個填充錯誤。

CRC錯誤:CRC序列是由發(fā)送器CRC計算的結(jié)果組成的。接收器以和發(fā)送器相同的方法計算CRC。如果計算的結(jié)果和接收到的CRC序列不同，則檢測出一個CRC錯誤。

形式錯誤: 當固定形式的位區(qū)中出現(xiàn)一個或多個非法位時，則檢測到一個形式錯誤。

應答錯誤:在應答間隙，發(fā)送器未檢測到顯性位時，則由它檢測出一個應答錯誤。

檢測到出錯條件的節(jié)點通過發(fā)送錯誤標志進行標定。當任何節(jié)點檢測出位錯誤、填充錯誤、形式錯誤或應答錯誤時，由該節(jié)點在下一位開始發(fā)送出錯誤標志。

當檢測到CRC錯誤時。出錯標志在應答界定符后面那一位開始發(fā)送．除非其他出錯條件的錯誤標志已經(jīng)開始發(fā)送。

圖12 CAN總線BUS三種錯誤

在CAN總線中，任何一個單元可能處于下列3種故障狀態(tài)之一：錯誤激活狀態(tài)（ErrorActive）、錯誤認可狀態(tài)（Error Passitive）和總線關(guān)閉狀態(tài)（Bus off）。

錯誤激活單元可以照常參和總線通信，并且當檢測到錯誤時，送出一個活動錯誤標志。錯誤 認可節(jié)點可參和總線通信，但是不允許送出活動錯誤標志。當其檢測到錯誤時，只能送出認可錯 誤標志，并且發(fā)送后仍為錯誤認可狀態(tài)，直到下一次發(fā)送初始化?？偩€關(guān)閉狀態(tài)不允許單元對總 線有任何影響。

3.5.2 CAN總線錯誤處理

為了界定故障，在每個總線單元中都設(shè)有2個計數(shù)：發(fā)送出錯計數(shù)和接收出錯計數(shù)。這些 計數(shù)按照下列規(guī)則進行。

（1）接收器檢查出錯誤時，接收器錯誤計數(shù)器加1，除非所有檢測錯誤是發(fā)送活動錯誤標志或超載標志期間的位錯誤。

（2）接收器在送出錯誤標志后的第一位檢查出顯性位時，錯誤計數(shù)器加8。

（3）發(fā)送器送出一個錯誤標志時，發(fā)送器錯誤計數(shù)器加8。有兩種情況例外：其一是如果發(fā) 送器為錯誤認可，由于未檢測到顯性位應答或檢測到應答錯誤，并且在送出其認可錯誤標志時，未檢測到顯性位；另外一種情況是如果仲裁器件產(chǎn)生填充錯誤，發(fā)送器送出一個隱性位錯誤標志，而檢測到的是顯性位。除以上兩種情況外，發(fā)送器錯誤計數(shù)器計數(shù)不改變。

（4）發(fā)送器送出一個活動錯誤標志或超載標志時，檢測到位錯誤，則發(fā)送器錯誤計數(shù)器加8。

（5）在送出活動錯誤標志、認可錯誤標志或超載錯誤標志后，任何節(jié)點都最多允許連續(xù)7個顯性位。在檢測到第11個連續(xù)顯性位后，或緊隨認可錯誤標志檢測到第8個連續(xù)的顯性位，以及附加的8個連續(xù)的顯性位的每個序列后，每個發(fā)送器的發(fā)送錯誤計數(shù)都加8，并且每個接收器的接收錯誤計數(shù)也加8。

（6）報文成功發(fā)送后，發(fā)送錯誤計數(shù)減1，除非計數(shù)值已經(jīng)為0。

（7）報文成功發(fā)送后，如果接收錯誤計數(shù)處于1～127之間，則其值減1；如果接收錯誤計數(shù)為0，則仍保持為0；如果大于127，則將其值記為119～127之間的某個數(shù)值。

（8）當發(fā)送錯誤計數(shù)等于或大于128，或接收錯誤計數(shù)等于或大于128時，節(jié)點進入錯誤認,可狀態(tài)，節(jié)點送出一個活動錯誤標志。

（9）當發(fā)送錯誤計數(shù)器大于或等于256時，節(jié)點進入總線關(guān)閉狀態(tài)。

（1O）當發(fā)送錯誤計數(shù)和接收錯誤計數(shù)均小于或等于127時，錯誤認可節(jié)點再次變?yōu)殄e誤激活節(jié)點。

（11）在檢測到總線上11個連續(xù)的隱性位發(fā)送128次后，總線關(guān)閉節(jié)點將變?yōu)?個錯誤計數(shù)器均為0的錯誤激活節(jié)點。

（12）當錯誤計數(shù)器數(shù)值大于96時，說明總線被嚴重干擾。

如果系統(tǒng)啟動期間僅有1個節(jié)點掛在總線上，此節(jié)點發(fā)出報文后，將得不到應答，檢查出錯誤并重復該報文，此時該節(jié)點可以變?yōu)殄e誤認可節(jié)點，但不會因此關(guān)閉總線。

圖13 CAN總線錯誤處理機制

3.6 CAN總線的優(yōu)點

廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼，可以多主方式工作；

采用非破壞性仲裁技術(shù)，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；

采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短；

每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境下使用；

節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響；

可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。

具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點；

采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；

具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-Bus上，形成多主機局部網(wǎng)絡(luò)；

可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文；

可靠的錯誤處理和檢錯機制；

發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；

節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能；

報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。

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　　審核編輯：湯梓紅