CAN总线基础知识
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了CAN总线基础知识相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
CAN总线基础知识（一）
1.1 CAN总线是什么？
CAN（Controller Area Network）是ISO国际标准化的串行通信协议。广泛应用于汽车、船舶等。具有已经被大家认可的高性能和可靠性。
CAN控制器通过组成总线的2根线（CAN-H和CAN-L）的电位差来确定总线的电平，在任一时刻，总线上有2种电平：显性电平和隐性电平。
"显性"具有"优先"的意味，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平，并且，"隐性"具有"包容"的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平。（显性电平比隐性电平更强）。
总线上执行逻辑上的线"与"时，显性电平的逻辑值为"0"，隐性电平为"1"。
下图显示了一个典型的CAN拓扑连接图。
连接在总线上的所有单元都能够发送信息，如果有超过一个单元在同一时刻发送信息，有最高优先级的单元获得发送的资格，所有其它单元执行接收操作。
CAN总线协议具有下面的特点：
1) 多主控制
当总线空闲时，连接到总线上的所有单元都可以启动发送信息，这就是所谓的多主控制的概念。
先占有总线的设备获得在总线上进行发送信息的资格。这就是所谓的CSMA/CR（Carrier Sense MultipleAccess/Collosion Avoidance）方法
如果多个设备同时开始发送信息，那么发送最高优先级ID消息的设备获得发送资格。
2) 信息的发送
在CAN协议中，所有发送的信息要满足预先定义的格式。当总线没有被占用的时候，连接在总线上的任何设备都能起动新信息的传输，如果两个或更多个设备在同时刻启动信息的传输，通过ID来决定优先级。ID并不是指明信息发送的目的地，而是指示信息的优先级。如果2个或者更多的设备在同一时刻启动信息的传输，在总线上按照信息所包含的ID的每一位来竞争，赢得竞争的设备（也就是具有最高优先级的信息）能够继续发送，而失败者则立刻停止发送并进入接收操作。因为总线上同一时刻只可能有一个发送者，而其它均处于接收状态，所以，并不需要在底层协议中定义地址的概念。
3) 系统的灵活性
连接到总线上的单元并没有类似地址这样的标识，所以，添加或去除一个设备，无需改变软件和硬件，或其它设备的应用层软件。
4) 通信速度
可以设置任何通讯速度，以适应网络规模。
对一个网络，所有单元必须有相同的通讯速度，如果不同，就会产生错误，并妨碍网络通讯，然而，不同网络间可以有不同的通讯速度。
5) 远程数据请求
可以通过发送"遥控帧"，请求其他单元发送数据。
6) 错误检测、错误通知、错误恢复功能
所有单元均可以检测出错误（错误检测功能）。
检测到错误的单元立刻同时通知其它所有的单元（错误通知功能）。如果一个单元发送信息时检测到一个错误，它会强制终止信息传输，并通知其它所有设备发生了错误，然后它会重传直到信息正常传输出去（错误恢复功能）。
7) 错误隔离
在CAN总线上有两种类型的错误：暂时性的错误（总线上的数据由于受到噪声的影响而暂时出错）；持续性的错误（由于设备内部出错（如驱动器坏了、连接有问题等）而导致的）。CAN能够区别这两种类型，一方面降低常出错单元的通讯优先级以阻止对其它正常设备的影响，另一方面，如果是一种持续性的错误，将这个设备从总线上隔离开。
8) 连接
CAN总线允许多个设备同时连接到总线上且在逻辑上没有数目上的限制。然而由于延迟和负载能力的限制，实际可连接得设备还是有限制的，可以通过降低通讯速度来增加连接的设备个数。相反，如果连接的设备少，通讯的速度可以增加。
设备总是处于下面三个状态之一：
1）主动错误状态
在此状态下，设备能够参加总线上的正常通讯。如果处于主动错误状态的设备检测到一个错误，它会发送一个主动错误标志，更细节见第6章的"CAN协议"。
2）被动错误状态
是指易于引起错误的状态。
尽管处于被动错误状态的设备能够参加总线上的通讯，但是在接收期间，它不可能主动地向其它设备发送错误通知，以避免影响它们的通讯。处于被动错误状态的设备即使检测到一个错误，如果其它处于主动错误状态的设备没曾检测到错误，那么也认为在总线上未曾出现过任何错误。
当处于被动错误状态的设备检测到一个错误的时候，它发送一个被动错误标志。
另外，处于被动错误状态的单元在发送结束后不能立刻再次开始发送。在开始下次发送前，在间隔帧期间内必须插入"暂停发送期"（由8个位的隐性位组成）。
更细节见第6章的"CAN协议"。
3）总线切断状态
处于此状态下时，设备不能参加总线的通讯。设备所有的收发操作都被禁止。
这些状态是通过发送错误计数器和接收错误寄存器来管理，相关错误状态由这些计数器值的组合来标识，错误状态和计数器值之间的关系见表1和图4。
发送和接收错误计数器的值按照规定的条件来改变。
表2小结了错误计数器值改变的条件。
在一个数据收发操作中可能会发生多个条件重叠。
错误计数器增加的时间发生在错误标志的第一bit位置。
CAN协议包括OSI参考模型的传输层、数据链路层、物理层。图5显示了CAN协议每个层的定义。
数据链路层划分为MAC（Medium Access Control媒体存取控制）和LLC（Logical Link Control罗辑链路控制）。MAC子层组成CAN协议的核心。数据链路层的功能是将从物理层接收到的信号组织成有意义的信息，提供如传输错误控制等数据传输控制流程。更具体来说，包括：信息如何封装成一帧，数据冲突仲裁、应答、错误的检测或通知。数据链路层的这些功能通常由CAN控制器硬件来实现。
物理层定义信号的实际传输方式、位的时序、位的编码、同步的过程步骤，然而，CAN协议并没有定义了信号电平、通讯速度、采样点值、驱动器和总线电气特征、连接器形式。对每个系统，这些特征由用户自行确定。
在BOSCH公司的CAN协议中，并没有关于收发器和总线的电气特征的定义，而在ISO CAN协议中，如ISO11898和ISO11519-2却对此有明确的定义。
CAN总线基础知识（二）
2.CAN协议和标准规范
2.1 由ISO标准化的CAN协议
CAN协议已经由ISO标准化，有2个版本，如ISO11898和ISO11519-2，它们之间在数据链路层没什么不同，但是在物理层有些区别。
(1) 关于ISO11898：这个标准用于高速CAN通讯。开始的时候，数据链路层和物理层都在标准ISO11898中规定，后来被拆分为ISO11898-1（仅涉及数据链路层）和ISO11898-2（仅涉及物理层）
(2) 关于ISO11519：这个标准用于低速（最高125kbps）CAN通讯
2.2 ISO11898和ISO11519-2之间的不同
图6显示了CAN规范的规定范围。三个物理层的子层：PLS(Physucal Signaling Sublayer物理信号子层)子层，PMA（Physical Medium Attachment物理介质连接）子层，MDI（Medium Dependent Interface介质相关接口）子层，PMA和MDI子层的定义是不一样的。
表3列出了ISO11898和ISO11519-2之间的物理层上的不同，图7现实了通讯速度和总线长度之间的关系。
通讯速度和总线长度需要由用户按照系统要求进行设置。
总线拓扑：
CAN总线通常有2根线（CAN_High和CAN_Low）组成，CAN控制器通过一个收发器连接到总线上，总线的电平由CAN_High和CAN_Low的电位差来确定，总线有2个电平：显性和隐性，在任一给定的时间内，总线总是处于这2个电平之一。对于逻辑上"线与"的总线，显性和隐性电平被看作逻辑0和逻辑1，一个发送单元能够通过改变总线电平来送一个信息给接收单元。
ISO11898和ISO11519-2规定的物理层终端阻抗、显性电平、隐性电平差分电压是不同的。
图8显示了ISO11898和ISO11519-2物理层的特点，注意ISO11898和ISO11519-2要求一个收发器满足对应的标准，表4列出了满足ISO11898和ISO11519-2的主要收发器IC。
2.3 CAN和标准规范
除了ISO，CAN规范由工业标准组织如SAE标准化，以及由一些私立研究机构和公司进行了标准化。
表5类除了一些基本的标准规范，图9显示了通讯协议用于汽车按照通讯速度分级
CAN总线基础知识（三）
3.1．CAN协议
3.1.1 帧类型
通讯时使用下面5个类型的帧：
数据帧
遥控帧
错误帧
过载帧
帧间空隙
在所有这些帧中，数据帧和遥控帧由用户设置，而其它帧则由CAN硬件设置。
数据和遥控帧有两种格式：标准和扩展格式。标准格式有11bit的ID，而扩展格式则是29bit的ID。
每个帧的用处见表6，每个帧的结构见图10到图14
表6 帧类型和每种类型帧的作用
3.1.2 数据帧
数据帧由发送单元使用，用来发送信息给接收单元，这是用户操作的基本帧。
数据帧有7个域组成。图15显示了数据帧的结构。
（1）帧开始（SOF）：这个域表示数据帧的开始。
（2）仲裁域：这个域表示一个帧的优先级
（3）控制域：这个域表示保留位和数据字节数
（4）数据域：这是数据内容，0-8个字节的数据能被发送
（5）CRC域：这个域用于检查帧的传输错误。
（6）ACK域：是对帧已经被正常接收的一个证实。
（7）帧结束：指示数据帧结束
（1）帧开始（SOF），对标准的或扩展的格式都是一样的。它指示一帧的开始，由1bit的显性位组成。
显性电平和隐性电平：
总线上的电平有显性电平和隐性电平两种。
总线上执行逻辑上的线"与"时，显性电平的逻辑值为"0"，隐性电平为"1"。
"显性"具有"优先"的意味，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平，并且，"隐性"具有"包容"的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平。（显性电平比隐性电平更强）
（2）仲裁域，这个域表示数据的优先级别。这个域的结构，对标准和扩展的格式是有差别的。
注1：关于ID：
标准格式的ID有11bit，从ID28到ID18被依次发送，禁止高7位全为隐性。（禁止设定：ID=1111111xxxx）。这样总共有（2048-16）个ID能被使用。
扩展格式的ID有29个bit。基本ID从ID28到ID18，扩展ID由ID17到ID0表示，基本ID和标准格式ID相同，禁止高7bit全都为隐性，（禁止设定：基本ID=1111111xxxx）。这样总共有（2048-16）个ID能被使用。
在任何情况下，总线上不可能有多个设备在同一时刻使用同一个ID传输数据帧。
（3）控制域，占6个bit，指示要传输信息的数据字节数，这个域的结构，对标准和扩展的格式是有差别的。如图18所示
注1：保留位（r0，r1），保留位必须以显性电平传送，然而，在接收侧可以接收显性、隐性集任意组合的电平。
注2：数据长度码（DLC），数据长度码与数据的字节对应关系见表7所示。数据的字节数必须是0-8个字节，但接收方对DLC=9-15的情况并不视为错误。
（4）数据域，对标准的或扩展的格式都是一样的。这个域是传输的数据，可以是0到8个字节，字节数载控制域中指明。数据输出开始于MSB。如图19所示：
（5）CRC域，对标准的或扩展的格式都是一样的。这个域用来检查帧是否有传输错误，它由15bit CRC码和一个bitCRC定界符（delimiter）（separating bit分隔bit）
CRC的产生方法是采用下面的多项式：，CRC的计算范围是SOF、仲裁域、控制域、数据域。在接收侧，会对接收到的数据帧的这些域进行CRC计算，如果计算结果与收到的CRC不一致，则表明存在传输错误。
（6）ACK域，是对一帧已被正常接收的一个确认信号，由2个bit组成，一个是ACK的slot，一个是ACK的定界符（delimiter），如图21所示：
注1：发送单元的ACK域，发送单元以隐性bit发送ACK slot和ACK 的delimiter。
注2：接收单元的ACK域，正确接收到信息的接收单元在接收帧的ACK slot里发送一个显性bit，以通知发送单元其已经正确接收完毕，这又称"sending ACK"或"returning ACK"。
"Returning an ACK"：
所有接收单元只要不是处于bus-off或休眠状态，只有正确接收信息的单元才能发送ACK。发送单元并不发送ACK。如果总线上除了发送单元，没有其它单元能接收信息，则No ACK被返回。为了通讯的建立，除了发送单元外，至少需要有一个单元能够接收信息。如果总线上有2个或更多个单元能接收到信息，如果它们中任意一个正常接收到信息，则会有ACK被返回。
（7）帧结束，指示一帧结束，由7个隐性位组成。如图22
3.1.3 遥控帧
遥控帧是接收单元请求发送单元发送一个信息，遥控帧有6个域组成。如图23显示的那样，除了没有数据域外其它与数据帧的结构是一样的。
(1) 帧开始（SOF）：这个域表示数据帧的开始。
(2) 竞争域：这个域表示数据的优先级，具有同样ID的数据帧被请求。
(3) 控制域：这个域表示保留位和数据字节数
(4) CRC域：这个域用于检查帧的传输错误。
(5) ACK域：是对帧已经被正常接收的一个证实。
(6) 帧结束：指示遥控帧的结束
遥控帧和数据帧：