什么是CAN(控制器局域網(wǎng))

控制器局域網(wǎng) (Controller Area Network，簡(jiǎn)稱CAN或者CAN bus) 是一種功能豐富的車用總線標(biāo)準(zhǔn)。被設(shè)計(jì)用于在不需要主機(jī)(Host)的情況下，允許網(wǎng)絡(luò)上的單片機(jī)和儀器相互通信。 它基于消息傳遞協(xié)議，設(shè)計(jì)之初在車輛上采用復(fù)用通信線纜，以降低銅線使用量，后來也被其他行業(yè)所使用。CAN創(chuàng)建在基于信息導(dǎo)向傳輸協(xié)定的廣播機(jī)制(Broadcast Communication Mechanism)上。其根據(jù)信息的內(nèi)容，利用信息標(biāo)志符(Message Identifier，每個(gè)標(biāo)志符在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)一無二)來定義內(nèi)容和消息的優(yōu)先順序進(jìn)行傳遞，而并非指派特定站點(diǎn)地址(Station Address)的方式。因此，CAN擁有了良好的彈性調(diào)整能力，可以在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中增加節(jié)點(diǎn)而不用在軟、硬件上做出調(diào)整。除此之外，消息的傳遞不基于特殊種類的節(jié)點(diǎn)，增加了升級(jí)網(wǎng)絡(luò)的便利性。

優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)

特點(diǎn)：

(1) CAN是一個(gè)用于連接電子控制單元(ECU)的多主機(jī)串行總線標(biāo)準(zhǔn)。電子控制單元有時(shí)也被稱作節(jié)點(diǎn)。CAN網(wǎng)絡(luò)上需要至少兩個(gè)節(jié)點(diǎn)才可進(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜程度可以只是簡(jiǎn)單的輸入輸出設(shè)備，也可以是包含有CAN交互器并搭載了軟件的嵌入式組件。所有節(jié)點(diǎn)通過兩根平行的總線連接在一起。兩條電線組成一條雙絞線，并且接有120Ω的特性抗。

(2) 數(shù)據(jù)通信沒有主從之分，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以向任何其他(一個(gè)或多個(gè))節(jié)點(diǎn)發(fā)起數(shù)據(jù)通信，靠各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息優(yōu)先級(jí)先后順序來決定通信次序。

(3) 多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)起通信時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的避讓優(yōu)先級(jí)高的，不會(huì)對(duì)通信線路造成擁塞。

(4) 通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10KM(速率低于5Kbps)速率可達(dá)到1Mbps(通信距離小于40M)。

(5) CAN總線傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜，CAN總線適用于大數(shù)據(jù)量短距離通信或者長(zhǎng)距離小數(shù)據(jù)量，實(shí)時(shí)性要求比較高，多主多從或者各個(gè)節(jié)點(diǎn)平等的現(xiàn)場(chǎng)中使用。

優(yōu)勢(shì)：

(1) 可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信：CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)符可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義2或2個(gè)以上不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。

(2) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：只有2根線與外部相連，并且內(nèi)部集成了錯(cuò)誤探測(cè)和管理模塊。

(3) 數(shù)據(jù)糾錯(cuò)：采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作，每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕m于在高干擾環(huán)境下使用。

(4) 完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理：CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。

(5) 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一對(duì)多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。

CAN總線的數(shù)據(jù)格式與基本工作原理

數(shù)據(jù)格式：

(1) CAN-bus通信幀共分為數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過載幀和幀間隔。

(2) 數(shù)據(jù)幀：結(jié)構(gòu)上由7個(gè)段組成，其中根據(jù)仲裁段ID碼長(zhǎng)度的不同，分為標(biāo)準(zhǔn)幀(CAN2.0A)和擴(kuò)展幀(CAN2.0B)結(jié)構(gòu)上由7個(gè)段組成，其中根據(jù)仲裁段ID碼長(zhǎng)度的不同，分為標(biāo)準(zhǔn)幀(CAN2.0A)和擴(kuò)展幀(CAN2.0B)。標(biāo)準(zhǔn)幀為11位，擴(kuò)展幀為29位。這也是我們?cè)谑褂弥薪佑|最多的格式。

(3) 遠(yuǎn)程幀：與數(shù)據(jù)幀相比沒有數(shù)據(jù)段，結(jié)構(gòu)上由7個(gè)段組成。當(dāng)你需要總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)向你發(fā)送數(shù)據(jù)，使用次節(jié)點(diǎn)的ID,發(fā)送一幀遠(yuǎn)程幀。

(4) 錯(cuò)誤幀：雖然CAN總線是可靠性很高的總線，但是依然會(huì)出錯(cuò)：CAN總線上會(huì)出現(xiàn)5種錯(cuò)誤。

(5) 過載幀和幀間隔：過載幀:當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有做好接收下幀數(shù)據(jù)將發(fā)送過載幀通知節(jié)點(diǎn)。幀間隔：只存在于數(shù)據(jù)幀與遠(yuǎn)程幀之間，用于幀之間的分離。

基本工作原理：

跟其他總線一樣，CAN總線的通信也是通過一種類似于“會(huì)議” 的機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，只不過會(huì)議的過程并不是由一方(節(jié)點(diǎn))主導(dǎo)，而 是，每一個(gè)會(huì)議參加人員都可以自由的提出會(huì)議議題(多主通信模式)，二者對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

仲裁與優(yōu)先級(jí)

假設(shè)節(jié)點(diǎn)A、B和C都發(fā)送相同格式相同類型的幀，如標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)幀，它們競(jìng)爭(zhēng)總線的過程是

結(jié)論：從該分析過程得出結(jié)論是：幀ID值越小，優(yōu)先級(jí)越高，對(duì)于同為擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀、標(biāo)準(zhǔn)格式遠(yuǎn)程幀和擴(kuò)展格式遠(yuǎn)程幀的情況同理。

CAN總線上的電平

CAN2.0A/B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:總線空閑：CAN_H和CAN_L上的電壓為2.5V

傳輸數(shù)據(jù)： 顯性電平(邏輯 0)：CAN_H 3.5V，CAN_L 1.5V

隱性電平(邏輯 1)：CAN_H 2.5V，CAN_L 2.5V

CAN收發(fā)器：

照BOSCH CAN總線標(biāo)準(zhǔn)將0或1邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的電平，同時(shí)有反饋功能。

CAN總線的硬件抗干擾：

(1) 在電路中增加共模電感。

(2) 使用更高精度的電阻。

注意：并不是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要增加電阻,只需要在總線相聚最遠(yuǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)使用電阻即可。

電阻也不是固定的120歐姆，根據(jù)導(dǎo)線的材質(zhì)有關(guān)。

CAN總線負(fù)載率計(jì)算

計(jì)算例子：

假設(shè)CAN總線波特率為250Kbit/s，總線報(bào)文發(fā)送時(shí)間間隔為10ms， 報(bào)文為數(shù)據(jù)幀(8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù))，那么10ms內(nèi)總線能夠支持的最大報(bào)文數(shù)量為多少?

第一步：根據(jù)通信波特率計(jì)算10ms總共可以發(fā)送多少bit (250000/1000)*10 = 2500bit

第二步：計(jì)算最長(zhǎng)的一幀報(bào)文有多少個(gè)bit

1sof + 29id + 1ide + 1rtr + 1srr + 2r + 4dlc + 8*8data

+ 16crc + 2ack + 7eof = 128bit

第三步：計(jì)算10ms內(nèi)可以支持的報(bào)文數(shù)目

2500/128 ≈ 19

結(jié)論:

由上面的計(jì)算可知，當(dāng)10ms間隔的報(bào)文數(shù)量超過19條時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)丟幀，總線飽和。計(jì)算報(bào)文數(shù)量也是設(shè)計(jì)CAN網(wǎng)絡(luò)所要考慮的，可以查閱相關(guān)文獻(xiàn)看負(fù)載率在多少時(shí)合適!

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