前言

CAN總線的應(yīng)用在現(xiàn)在看來越來越廣泛，我廠設(shè)備從最初的ARM9與ARM7平臺、期間升級過度到CortexA8與Cortex M3平臺，再到現(xiàn)在的Cortex M4平臺，圍繞CAN進(jìn)行了一系列產(chǎn)品的開發(fā)，CAN總線的穩(wěn)定性是毋庸置疑的。

CAN總線物理結(jié)構(gòu)與特性

CAN總線網(wǎng)絡(luò)

CAN總線網(wǎng)絡(luò)主要掛在CAN_H和CAN_L，各個節(jié)點(diǎn)通過這兩條線實(shí)現(xiàn)信號的串行差分傳輸，為了避免信號的反射和干擾，還需要在CAN_H和CAN_L之間接上120歐姆的終端電阻，但是為什么是120歐姆呢？那是因?yàn)?span style="background-color:#FFFF00;">電纜的特性阻抗為120歐。

CAN收發(fā)器

CAN收發(fā)器的作用是負(fù)責(zé)邏輯電平和信號電平之間的轉(zhuǎn)換。

即從CAN控制芯片輸出邏輯電平到CAN收發(fā)器，然后經(jīng)過CAN收發(fā)器內(nèi)部轉(zhuǎn)換將邏輯電平轉(zhuǎn)換為差分信號輸出到CAN總線上，CAN總線上的節(jié)點(diǎn)都可以決定自己是否需要總線上的數(shù)據(jù)。具體的管教定義如下：

信號表示

CAN總線采用不歸零碼位填充技術(shù)，也就是說CAN總線上的信號有兩種不同的信號狀態(tài)，分別是顯性的（Dominant）邏輯0和隱形的（recessive）邏輯1，信號每一次傳輸完后不需要返回到邏輯0（顯性）的電平。

位填充規(guī)則：發(fā)送器只要檢測到位流里有5個連續(xù)相同值的位，便自動在位流里插入補(bǔ)充位。

觀察下圖：

可以看到上圖中的當(dāng)?shù)谝欢螢殡[性(recessive)，CAN_H和CAN_L電平幾乎一樣，也就是說CAN_H和CAN_L電平很接近甚至相等的時(shí)候，總線表現(xiàn)隱性的,而兩線點(diǎn)位差較大時(shí)表現(xiàn)為顯性的，按照定義的：

• CAN_H-CAN_L < 0.5V 時(shí)候?yàn)殡[性的，邏輯信號表現(xiàn)為"邏輯1"- 高電平。

• CAN_H-CAN_L > 0.9V 時(shí)候?yàn)轱@性的，邏輯信號表現(xiàn)為"邏輯0"- 低電平。

下面將差分信號和顯隱性之間對應(yīng)關(guān)系總結(jié)為下表：

狀態(tài)

邏輯信號

電壓范圍

顯性Dominant

0

CAN_H-CAN_L > 0.9

隱性recessive

1

CAN_H-CAN_L < 0.5

由上面的分析我們可以知道：

CAN總線采用的"線與"的規(guī)則進(jìn)行總線沖裁。即1&0=0；所以0為顯性。

這句話隱含的意思是，如果總線上只要有一個節(jié)點(diǎn)將總線拉到低電平（邏輯0）即顯性狀態(tài)，總線就為低電平（邏輯0）即顯性狀態(tài)而不管總線上有多少節(jié)點(diǎn)處于傳輸隱性狀態(tài)（高電平或是邏輯1），只有所有節(jié)點(diǎn)都為高（隱性），總線才為高，即隱性。

通訊速率與通訊距離

下面的SAE J2411為美國汽車標(biāo)準(zhǔn)。

類型

標(biāo)準(zhǔn)

最高速率

描述

高速CAN

CAN/ISO 11839-2

1Mbit/秒

最通用的CAN總線類型

低速CAN

ISO/ISO 11839-3

125Kbit/秒

容錯，在一條總線短路的時(shí)候仍然能工作

單線CAN

SAE J2411

50Kbit/秒

高速模式可達(dá)到100Kbit/s主要用在汽車上，例如通用公司

CAN總線上任意兩個節(jié)點(diǎn)的最大傳輸距離與其位速率有關(guān)，如下表：

位速率/kbps

1000

500

250

125

100

50

20

10

5

最大距離/m

40

130

270

530

620

1300

3300

6700

10000

這里的最大通信距離指的是同一條總線上兩個節(jié)點(diǎn)之間的距離?？梢钥吹剿俾试降屯ㄓ嵕嚯x就越遠(yuǎn)，也就是說CAN總線的通訊距離和波特率成反比。在位速率為5千比特位每秒的時(shí)候達(dá)到最大的傳輸距離10公里。其中一般的工程中比較常用的為500K每秒的通訊速率。這個速率在實(shí)際測試的時(shí)候也是非?？煽康?。

如果想要更遠(yuǎn)的傳輸（大于10公里）；可以考慮用多個CAN控制器連接或是加其他通訊協(xié)議（如485或是TCP/IP）的接口芯片組成的一個設(shè)備，這樣就可實(shí)現(xiàn)長距離的通訊需求。

CAN總線關(guān)鍵概念

仲裁

只要總線空閑，總線上任何節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送報(bào)文，如果有兩個或兩個以上的節(jié)點(diǎn)開始傳送報(bào)文，那么就會存在總線訪問沖突的可能。但是CAN使用了標(biāo)識符的逐位仲裁方法可以解決這個問題。

在仲裁期間，每一個發(fā)送器都對發(fā)送的電平與被監(jiān)控的總線電平進(jìn)行比較。如果電平相同，則這個單元可以繼續(xù)發(fā)送。如果發(fā)送的是一"隱性"電平而監(jiān)視到的是一"顯性"電平，那么這個節(jié)點(diǎn)失去了仲裁，必須退出發(fā)送狀態(tài)。如果出現(xiàn)不匹配的位不是在仲裁期間則產(chǎn)生錯誤事件。

幀ID越小，優(yōu)先級越高。由于數(shù)據(jù)幀的RTR位為顯性電平，遠(yuǎn)程幀為隱性電平，所以幀格式和幀ID相同的情況下，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀；由于標(biāo)準(zhǔn)幀的IDE位為顯性電平，擴(kuò)展幀的IDE位為隱形電平，對于前11位ID相同的標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀，標(biāo)準(zhǔn)幀優(yōu)先級比擴(kuò)展幀高。

CAN總線協(xié)議

CAN 總線是一個廣播類型的總線，所以任何在總線上的節(jié)點(diǎn)都可以監(jiān)聽總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。也就是說總線上的傳輸不是點(diǎn)到點(diǎn)的，而是一點(diǎn)對多點(diǎn)的傳輸，這里多點(diǎn)的意思是總線上所有的節(jié)點(diǎn)。但是總線上的節(jié)點(diǎn)如何知道那些數(shù)據(jù)是傳送給自己的呢？CAN總線的硬件芯片提供了一種叫做本地過濾的功能，通過這種本地過濾的功能可以過濾掉一些和自己無關(guān)的數(shù)據(jù)，而保留一些和自己有關(guān)的信息。

CAN消息機(jī)制

CAN標(biāo)準(zhǔn)定義了四種消息類型，每條消息用一種叫做比特位仲裁(Arbitration)機(jī)制來控制進(jìn)入CAN總線，并且每條消息都標(biāo)記了優(yōu)先權(quán)。另外CAN標(biāo)準(zhǔn)還定義了一系列的錯誤處理機(jī)制。

CAN報(bào)文的四種消息類型：

• 數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)?a target="_blank">接收器。

• 遠(yuǎn)程幀：總線單元發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請求發(fā)送具有同一標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀。

• 錯誤幀：任何單元檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。

• 過載幀：過載幀用在相鄰數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間的提供附加的延時(shí)。

數(shù)據(jù)幀

下圖為基本的格式：

CAN總線中有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種格式，兩種格式不同的地方在于仲裁域格式的不同,看下面兩個表格可以很清楚的看出兩者的不同,下面第一個表是標(biāo)準(zhǔn)幀（CAN2.0 A），第二個為擴(kuò)展幀（CAN2.0 B）：

下面為擴(kuò)展幀格式（CAN2.0B）：

其中

• SOF為幀開始

• SRR為"替代遠(yuǎn)程請求位

• IDE為擴(kuò)展標(biāo)識符位

• RTR為遠(yuǎn)程傳輸請求位

• CRC delimiter 為CRC定界符。

• ACK delimiter 為應(yīng)答定界符.

我們看到上圖中的基本幀格式可以總結(jié)為以下幾個域：

域

描述

仲裁域

仲裁域決定了當(dāng)總線上兩個或是多個節(jié)點(diǎn)爭奪總線時(shí)的優(yōu)先權(quán)。

數(shù)據(jù)域

包含了0到8字節(jié)的數(shù)據(jù)。

CRC域

包含了15位的校驗(yàn)和，校驗(yàn)和用來做錯誤檢測。

應(yīng)答槽

任何一個已經(jīng)正確接收到消息的控制器在每一條消息的末端發(fā)送一個應(yīng)答位，發(fā)送器檢查消息是否存在應(yīng)答位，如果沒有就重發(fā)消息。

遠(yuǎn)程幀

作為數(shù)據(jù)接收器的站，通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀，可以啟動其資源節(jié)點(diǎn)傳送它們各自的數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程幀和數(shù)據(jù)幀非常類似，只是遠(yuǎn)程幀沒有數(shù)據(jù)域。

上圖就是遠(yuǎn)程幀的幀格式，它相對與數(shù)據(jù)幀沒有遠(yuǎn)程幀，但是要注意發(fā)送遠(yuǎn)程幀的時(shí)候RTR位要置1，表示發(fā)送的是遠(yuǎn)程幀。下圖更加清晰了呈現(xiàn)了這種結(jié)構(gòu)。

錯誤幀

錯誤幀是當(dāng)總線的某一個節(jié)點(diǎn)檢測到錯誤后發(fā)送出來的，它會引起所有節(jié)點(diǎn)檢測到一個錯誤，所以當(dāng)有任何一個節(jié)點(diǎn)檢測到錯誤，總線上的其他節(jié)點(diǎn)也會發(fā)出錯誤幀。CAN總線設(shè)計(jì)了一套詳盡的錯誤計(jì)數(shù)機(jī)制來確保不會由于任何一個節(jié)點(diǎn)反復(fù)的發(fā)送錯誤幀而導(dǎo)致CAN總線的崩潰。

如上圖所示錯誤標(biāo)志和錯誤定界符組成，高低代表分別代表隱性和顯性，其中錯誤標(biāo)志為所有節(jié)點(diǎn)發(fā)過來的錯誤標(biāo)志的疊加(Superposition)。下圖更為清楚的看出各個數(shù)據(jù)位的分布：

下面通過以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)框圖概括各個部分的定義：

錯誤標(biāo)志有兩種形式：

• 主動錯誤標(biāo)志，它由6個連續(xù)的顯性位0組成，它是節(jié)點(diǎn)主動發(fā)送的錯誤標(biāo)志。

• 被動錯誤標(biāo)志，它由6個連續(xù)的隱性位1組成，除非被其他節(jié)點(diǎn)的顯性位覆蓋。

  剛才說到一個節(jié)點(diǎn)上檢測到錯誤會導(dǎo)致總線上所有的節(jié)點(diǎn)都會檢測到錯誤并發(fā)送錯誤標(biāo)志，這是為什么呢？

  因?yàn)閱我还?jié)點(diǎn)上的錯誤標(biāo)志格式違背了從幀起始到CRC界定符的位填充規(guī)則，也破壞了ACK域或幀結(jié)尾的固定格式。下面簡要說下位填充規(guī)則。

  位填充規(guī)則：發(fā)送器只要檢測到位流里有5個連續(xù)相同值的位，便自動在位流里插入補(bǔ)充位。

  注意：位填充規(guī)則只是針對數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀，錯誤幀和過載幀格式固定。

  所以所有其他的節(jié)點(diǎn)會檢測到錯誤條件并且開始發(fā)送錯誤標(biāo)志，因此錯誤幀就是各個站的不同錯誤標(biāo)志疊加在一起的結(jié)果。

當(dāng)某個節(jié)點(diǎn)發(fā)送錯誤幀(帶有錯誤標(biāo)志)，其他節(jié)點(diǎn)收到了錯誤幀，檢測到錯誤條件，就通過發(fā)送"被動錯誤標(biāo)志"的錯誤幀來提示錯誤。

錯誤定界符：

傳送了錯誤標(biāo)志以后，每一個站就發(fā)送一個隱性位，并一直監(jiān)視總線直到檢測出一個隱性位為止，然后就開始發(fā)送其余7個隱性位。

過載幀

過載幀是接收節(jié)點(diǎn)用來向發(fā)送節(jié)點(diǎn)告知自身接收能力的幀。

過載幀，意思就是某個接收節(jié)點(diǎn)來不及處理數(shù)據(jù)了，希望其他節(jié)點(diǎn)慢點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀或者遠(yuǎn)程幀，所以告訴發(fā)送節(jié)點(diǎn)，我已經(jīng)沒有能力處理你發(fā)送過來的數(shù)據(jù)了。

過載幀跟錯誤幀結(jié)構(gòu)類似包括過載標(biāo)志和過載定界符，有3中情況會引起過載：

• 接收器內(nèi)部的原因，它需要延遲下一個數(shù)據(jù)幀或是遠(yuǎn)程幀。

• 在間歇字段（看下面的幀間空間）的第一位和第二位檢測到一個顯性位（間歇字段都是隱性位的）

• 如果CAN節(jié)點(diǎn)在錯誤界定符或是過載界定符的第八位(最后一位)采樣到一個顯性位邏輯0，節(jié)點(diǎn)會發(fā)送一個過載幀，錯誤計(jì)數(shù)器不會增加。

上圖中很清晰的表示了過載標(biāo)志有6個顯性位組成，而疊加部分和"主動錯誤"標(biāo)志一樣，過載的標(biāo)志破壞的是間歇域的固定格式。所以導(dǎo)致其他的節(jié)點(diǎn)都檢測到過載條件，并一同發(fā)出過載標(biāo)志。

過載定界符：

也就是上圖的過載結(jié)束符，過載標(biāo)志被傳送以后，節(jié)點(diǎn)就一直監(jiān)聽著總線，直到檢測到有一個從顯性位到隱性位的跳變?yōu)橹?。?dāng)從總線上檢測到這樣的跳變，則就標(biāo)志著每一個節(jié)點(diǎn)都完成了各自過載標(biāo)志的發(fā)送，并開始同時(shí)發(fā)送其余7個隱性位。

幀間空間(Interframe Space)

幀間空間說白了就是幀與幀之間的間隔，但是這種間隔在CAN的幀中只存在于數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀，其他的幀就不一定是幀間空間隔開的，而是其他形式，或是直接是沒有間隔，例如過載幀和錯誤幀之間就沒幀間空間。過個過載幀之間有間隔但是不是有幀間空間隔開的。

這里所說的針間空間包括"間歇"、"總線空閑"的位域。如果是發(fā)送前一報(bào)文的"被動錯誤"的站，則還包括叫做"掛起傳輸"的位域。

若不是"被動錯誤"的站，或作為前一報(bào)文的接收器的站，幀間空間格式為下圖：

若是"被動錯誤"的站，如果想要發(fā)送8個隱性電平，在發(fā)送其他幀，幀間空間格式為下圖，即包括了掛起傳輸，

可以看到

間歇字段有3個隱性位。

特別的在間歇期間，所有的節(jié)點(diǎn)都不允許傳送數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀，唯一看做的是標(biāo)示一個過載條件。

總線空閑：

只要總線空閑，任何節(jié)點(diǎn)就可以往總線發(fā)送數(shù)據(jù)，并且是開始于間歇之后的第一個位。一旦總線上檢測到顯性位即邏輯"0"，可以認(rèn)為是幀的開始。

1. 掛起傳輸

"被動錯誤"的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文之后，在下一個報(bào)文開始傳送之前或是確認(rèn)總線空閑之前發(fā)出8個隱性位跟隨在間歇的后面。如果這個時(shí)候有一個報(bào)文從其他的節(jié)點(diǎn)發(fā)過來，則這個節(jié)點(diǎn)就成為了接收器。

錯誤處理機(jī)制

錯誤偵測

下標(biāo)是幾個錯誤類型：

錯誤類型

出錯條件

出錯域

幀測單元

比特錯誤

bit error

發(fā)送的位值與所監(jiān)控的位值不相符合（填充比特和ACK比特除外）

數(shù)據(jù)幀(SOF~EOF)

遠(yuǎn)程幀(SOF~EOF)

錯誤幀

過載幀

發(fā)送單元

接收單元

填充錯誤stuff error

偵測到6個連續(xù)相同的電平

數(shù)據(jù)幀(SOF~CRC)

遠(yuǎn)程幀(SOF~CRC)

發(fā)送單元

接收單元

CRC 錯誤

計(jì)算結(jié)果和接收到的CRC不同

數(shù)據(jù)幀(CRC)

遠(yuǎn)程幀(CRC)

接收單元

格式錯誤

Form Error

某個固定的格式位置出現(xiàn)無效的比特

數(shù)據(jù)幀：

(CRC Delimiter, ACK Delimiter EOF)

遠(yuǎn)程幀：

(CRC Delimiter，ACK Delimiter)

錯誤幀：

(Error Frame Delimiter)

過載幀：

(Overload Delimiter)

接收單元

應(yīng)答錯誤

Acknowledgment

發(fā)送端在應(yīng)答間隙所監(jiān)視的位不為顯性，即邏輯0，發(fā)送器就檢測到一個應(yīng)答錯誤。

數(shù)據(jù)幀(ACK slot)

遠(yuǎn)程幀(ACK slot）

發(fā)送單元

錯誤計(jì)數(shù)

下面是錯誤計(jì)數(shù)表：

錯誤條件

Transmit Error Counter

Receive Error Counter

1

RECEIVER端偵測到一個位Error錯誤，除了發(fā)送ACTIVE ERROR FLAG 和OVERLOAD FLAG

-

+1

2

TRANSMITIER 發(fā)送ERROR FLAG

+8

3

TRANSMITTER發(fā)送ACTIVE ERROR FLAG OVERFLAG時(shí)偵測到BIT ERROR

+8

4

當(dāng)RECEIVER發(fā)送ACTIVE ERROR FLAG或OVERFLAG時(shí)偵測到BIT ERROR

+8

5

一個幀被成功發(fā)送之后（取得ACK并且知道END OF FRAME完成都沒有錯誤）

-1 IF TEC=0,TEC will not be changed

-

6

一個幀被成功接收（知道ACK域都沒有檢測到錯誤，并成功發(fā)送ACK比特）

-

1. if 1 <= REC <= 127 -> REC-1

2. if REC = 0 -> REC = 0

3. if REC > 127 -> REC = a value

Between 119 to 127

7

在總線上檢測到128此連續(xù)的11個1，"bus off"的節(jié)點(diǎn)允許變成不再是"bus off"

Cleared to TEC = 0

Cleared to REC = 0

錯誤抑制

為防止某些節(jié)點(diǎn)自身出錯而一直發(fā)送錯誤幀，干擾其他節(jié)點(diǎn)通信，CAN協(xié)議規(guī)定了節(jié)點(diǎn)的3種狀態(tài)及行為,如下圖：

一個節(jié)點(diǎn)掛到CAN總線上之后，處于ACTIVE狀態(tài)；TEC>127或者REC>127導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)進(jìn)入passive狀態(tài)；TEC>255之后節(jié)點(diǎn)處于bus off狀態(tài)，就是不允許再往bus上發(fā)送東西了；處于bus off狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，在檢測到128個連續(xù)的11個1之后將回到active狀態(tài)。