CAN總線:控制器局域網絡-中文百科頻道

can總線

CAN是控制器局域網絡(ControllerAreaNetwork,CAN)的簡稱，是由研發和生産汽車電子産品着稱的德國BOSCH公司開發了的，并最終成為國際标準(ISO118?8)。是國際上應用最廣泛的現場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協議已經成為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的标準總線，并且擁有以CAN為底層協議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業環境

基本概念

CAN是ControllerAreaNetwork的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際标準化的串行通信協議。在當前的汽車産業中，出于對安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統被開發了出來。由于這些系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數量也随之增加。為适應“減少線束的數量”、“通過多個LAN，進行大量數據的高速通信”的需要，1986年德國電氣商博世公司開發出面向汽車的CAN通信協議。此後，CAN通過ISO11898及ISO11519進行了标準化，現在在歐洲已是汽車網絡的标準協議。

現在，CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面。現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。

産生發展

控制器局部網（CAN－CONTROLLERAREANETWORK）是BOSCH公司為現代汽車應用領先推出的一種多主機局部網，由于其高性能、高可靠性、實時性等優點現已廣泛應用于工業自動化、多種控制設備、交通工具、醫療儀器以及建築、環境控制等衆多部門。控制器局部網将在我國迅速普及推廣。

随着計算機硬件、軟件技術及集成電路技術的迅速發展，工業控制系統已成為計算機技術應用領域中最具活力的一個分支，并取得了巨大進步。由于對系統可靠性和靈活性的高要求，工業控制系統的發展主要表現為：控制面向多元化，系統面向分散化，即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。

分散式工業控制系統就是為适應這種需要而發展起來的。這類系統是以微型機為核心，将5C技術--COMPUTER（計算機技術）、CONTROL（自動控制技術）、COMMUNICATION（通信技術）、CRT（顯示技術）和CHANGE（轉換技術）緊密結合的産物。它在适應範圍、可擴展性、可維護性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統和集中型計算機控制系統都具有明顯的優越性。

典型的分散式控制系統由現場設備、接口與計算設備以及通信設備組成。現場總線（FIELDBUS）能同時滿足過程控制和制造業自動化的需要，因而現場總線已成為工業數據總線領域中最為活躍的一個領域。現場總線的研究與應用已成為工業數據總線領域的熱點。盡管對現場總線的研究尚未能提出一個完善的标準，但現場總線的高性能價格比将吸引衆多工業控制系統采用。同時，正由于現場總線的标準尚未統一，也使得現場總線的應用得以不拘一格地發揮，并将為現場總線的完善提供更加豐富的依據。控制器局部網CAN（CONTROLLERAERANETWORK）正是在這種背景下應運而生的。

由于CAN為愈來愈多不同領域采用和推廣，導緻要求各種應用領域通信報文的标準化。為此，1991年9月PHILIPSSEMICONDUCTORS制訂并發布了CAN技術規範（VERSION2.0）。該技術規範包括A和B兩部分。2.0A給出了曾在CAN技術規範版本1.2中定義的CAN報文格式，能提供11位地址；而2.0B給出了标準的和擴展的兩種報文格式，提供29位地址。此後，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運載工具--數字信息交換--高速通信控制器局部網（CAN）國際标準（ISO11898），為控制器局部網标準化、規範化推廣鋪平了道路。

特點介紹

CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現代汽車中衆多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率最高可達1Mbps。

完成對通信數據的成幀處理

CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鍊路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗餘檢驗、優先級判别等項工作。

使網絡内的節點個數在理論上不受限制

CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優點可使網絡内的節點個數在理論上不受限制，數據塊的标識符可由11位或29位二進制數組成，因此可以定義2或2個以上不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點同時接收到相同的數據，這一點在分布式控制系統中非常有用。數據段長度最多為8個字節，可滿足通常工業領域中控制命令、工作狀态及測試數據的一般要求。

同時，8個字節不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特别适合工業過程監控設備的互連，因此，越來越受到工業界的重視，并已公認為最有前途的現場總線之一。

可在各節點之間實現自由通信

CAN總線采用了多主競争式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節點可在任意時刻主動地向網絡上其它節點發送信息而不分主次，因此可在各節點之間實現自由通信。CAN總線協議已被國際标準化組織認證，技術比較成熟，控制的芯片已經商品化，性價比高，特别适用于分布式測控系統之間的數通訊。CAN總線插卡可以任意插在PCATXT兼容機上，方便地構成分布式監控系統。

結構簡單

隻有2根線與外部相連，并且内部集成了錯誤探測和管理模塊。

傳輸距離和速率

CAN總線特點：(1)數據通信沒有主從之分，任意一個節點可以向任何其他(一個或多個)節點發起數據通信，靠各個節點信息優先級先後順序來決定通信次序，高優先級節點信息在134μs通信;(2)多個節點同時發起通信時，優先級低的避讓優先級高的，不會對通信線路造成擁塞;(3)通信距離最遠可達10KM(速率低于5Kbps)速率可達到1Mbps(通信距離小于40M);(4)CAN總線傳輸介質可以是雙絞線，同軸電纜。CAN總線适用于大數據量短距離通信或者長距離小數據量，實時性要求比較高，多主多從或者各個節點平等的現場中使用。

技術介紹

位仲裁

要對數據進行實時處理，就必須将數據快速傳送，這就要求數據的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發送數據時，要求快速地進行總線分配。實時處理通過網絡交換的緊急數據有較大的不同。一個快速變化的物理量，如汽車引擎負載，将比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數據并要求更短的延時。

CAN總線以報文為單位進行數據傳送，報文的優先級結合在11位标識符中，具有最低二進制數的标識符有最高的優先級。這種優先級一旦在系統設計時被确立後就不能再被更改。總線讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖2所示，當幾個站同時發送報文時，站1的報文标識符為011111;站2的報文标識符為0100110;站3的報文标識符為0100111。所有标識符都有相同的兩位01，直到第3位進行比較時，站1的報文被丢掉，因為它的第3位為高，而其它兩個站的報文第3位為低。

站2和站3報文的4、5、6位相同，直到第7位時，站3的報文才被丢失。注意，總線中的信号持續跟蹤最後獲得總線讀取權的站的報文。在此例中，站2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優點在于，在網絡最終确定哪一個站的報文被傳送以前，報文的起始部分已經在網絡上傳送了。所有未獲得總線讀取權的站都成為具有最高優先權報文的接收站，并且不會在總線再次空閑前發送報文。

CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用，這些請求是根據報文在整個系統中的重要性按順序處理的。這種方法在網絡負載較重時有很多優點，因為總線讀取的優先級已被按順序放在每個報文中了，這可以保證在實時系統中較低的個體隐伏時間。

對于主站的可靠性，由于CAN協議執行非集中化總線控制,所有主要通信，包括總線讀取(許可)控制，在系統中分幾次完成。這是實現有較高可靠性的通信系統的唯一方法。

CAN與其它通信方案的比較

在實踐中，有兩種重要的總線分配方法：按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中，不管每個節點是否申請總線，都對每個節點按最大期間分配。由此，總線可被分配給每個站并且是唯一的站，而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。這将保證在總線存取時有明确的總線分配。在第二種方法中，總線按傳送數據的基本要求分配給一個站，總線系統按站希望的傳送分配(如：EthernetCSMA/CD)。因此，當多個站同時請求總線存取時，總線将終止所有站的請求，這時将不會有任何一個站獲得總線分配。為了分配總線，多于一個總線存取是必要的。

CAN實現總線分配的方法，可保證當不同的站申請總線存取時，明确地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發送數據時産生的碰撞問題。不同于Ethernet網絡的消息仲裁，CAN的非破壞性解決總線存取沖突的方法，确保在不傳送有用消息時總線不被占用。甚至當總線在重負載情況下，以消息内容為優先的總線存取也被證明是一種有效的系統。雖然總線的傳輸能力不足，所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在CSMA/CD這樣的網絡中，如Ethernet，系統往往由于過載而崩潰，而這種情況在CAN中不會發生。

CAN的報文格式

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

在标準格式中，報文的起始位稱為幀起始(SOF)，然後是由11位标識符和遠程發送請求位(RTR)組成的仲裁場。RTR位标明是數據幀還是請求幀，在請求幀中沒有數據字節。

控制場包括标識符擴展位(IDE)，指出是标準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位(ro)，為将來擴展使用。它的最後四個位用來指明數據場中數據的長度(DLC)。數據場範圍為0～8個字節,其後有一個檢測數據錯誤的循環冗餘檢查(CRC)。

應答場(ACK)包括應答位和應答分隔符。發送站發送的這兩位均為隐性電平(邏輯1)，這時正确接收報文的接收站發送主控電平(邏輯0)複蓋它。用這種方法，發送站可以保證網絡中至少有一個站能正确接收到報文。

報文的尾部由幀結束标出。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，總線将處于空閑狀态。

CAN數據幀的組成

遠程幀

遠程幀由6個場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應答場和幀結束。遠程幀不存在數據場。

遠程幀的RTR位必須是隐位。

DLC的數據值是獨立的，它可以是0～8中的任何數值，為對應數據幀的數據長度。

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标志疊加得到，第二個場是錯誤界定符

錯誤标志具有兩種形式：

活動錯誤标志(Activeerrorflag)，由6個連續的顯位組成

認可錯誤标志(Passiveerrorflag)，由6個連續的隐位組成

錯誤界定符包括8個隐位

超載幀

超載幀包括兩個位場：超載标志和超載界定符

發送超載幀的超載條件：

要求延遲下一個數據幀或遠程幀在間歇場檢測到顯位超載标志由6個顯位組成

超載界定符由8個隐位組成

數據錯誤檢測

不同于其它總線，CAN協議不能使用應答信息。事實上，它可以将發生的任何錯誤用信号發出。CAN協議可使用五種檢查錯誤的方法，其中前三種為基于報文内容檢查。

3.4.1循環冗餘檢查(CRC)

在一幀報文中加入冗餘檢查位可保證報文正确。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确定報文的正确性，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确的應答來确認。如果發送站未收到應答，那麼表明接收站發現幀中有錯誤，也就是說，ACK場已損壞或網絡中的報文無站接收。CAN協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中的一個節點可監測自己發出的信号。因此，發送報文的站可以觀測總線電平并探測發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，同步沿用位填充産生。在五個連續相等位後，發送站自動插入一個與之互補的補碼位;接收時，這個填充位被自動丢掉。例如，五個連續的低電平位後，CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規則檢查錯誤，如果在一幀報文中有6個相同位，CAN就知道發生了錯誤。

如果至少有一個站通過以上方法探測到一個或多個錯誤，它将發送出錯标志終止當前的發送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文，并保證網絡上報文的一緻性。當大量發送數據被終止後，發送站會自動地重新發送數據。作為規則，在探測到錯誤後23個位周期内重新開始發送。在特殊場合，系統的恢複時間為31個位周期。

但這種方法存在一個問題，即一個發生錯誤的站将導緻所有數據被終止，其中也包括正确的數據。因此,如果不采取自監測措施，總線系統應采用模塊化設計。為此，CAN協議提供一種将偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區别出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統計評估來确定一個站本身的錯誤并進入一種不會對其它站産生不良影響的運行方法來實現，即站可以通過關閉自己來阻止正常數據因被錯誤地當成不正确的數據而被終止。

硬同步和重同步

硬同步隻有在總線空閑狀态條件下隐形位到顯性位的跳變沿發生時才進行，表明報文傳輸開始。在硬同步之後，位時間計數器随同步段重新開始計數。硬同步強行将已發生的跳變沿置于重新開始的位時間同步段内。根據同步規則，如果某一位時間内已有一個硬同步出現，該位時間内将不會發生再同步。再同步可能導緻相位緩沖段1被延長或相位緩沖段2被短。這兩個相位緩沖段的延長時間或縮短時間上限由再同步跳轉寬度(SJW)給定。

CAN總線可靠性

為防止汽車在使用壽命期内由于數據交換錯誤而對司機造成危險，汽車的安全系統要求數據傳輸具有較高的安全性。如果數據傳輸的可靠性足夠高，或者殘留下來的數據錯誤足夠低的話，這一目标不難實現。從總線系統數據的角度看，可靠性可以理解為，對傳輸過程産生的數據錯誤的識别能力。

殘餘數據錯誤的概率可以通過對數據傳輸可靠性的統計測量獲得。它描述了傳送數據被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘餘數據錯誤概率必須非常小，使其在系統整個壽命周期内，按平均統計時幾乎檢測不到。計算殘餘錯誤概率要求能夠對數據錯誤進行分類，并且數據傳輸路徑可由一模型描述。如果要确定CAN的殘餘錯誤概率，我們可将殘留錯誤的概率作為具有80～90位的報文傳送時位錯誤概率的函數，并假定這個系統中有5～10個站，并且錯誤率為1/1000，那麼最大位錯誤概率為10—13數量級。

例如，CAN網絡的數據傳輸率最大為1Mbps，如果數據傳輸能力僅使用50%，那麼對于一個工作壽命4000小時、平均報文長度為80位的系統，所傳送的數據總量為9×1010。在系統運行壽命期内，不可檢測的傳輸錯誤的統計平均小于10—2量級。換句話說，一個系統按每年365天，每天工作8小時，每秒錯誤率為0.7計算，那麼按統計平均，每1000年才會發生一個不可檢測的錯誤。

應用舉例

CAN總線在工控領域主要使用低速-容錯CAN即ISO11898-3标準，在汽車領域常使用500Kbps的高速CAN。

某進口車型擁有，車身、舒适、多媒體等多個控制網絡，其中車身控制使用CAN網絡，舒适使用LIN網絡，多媒體使用MOST網絡，以CAN網為主網，控制發動機、變速箱、ABS等車身安全模塊，并将轉速、車速、油溫等共享至全車，實現汽車智能化控制，高速時自動鎖閉車門，安全氣囊彈出時，自動開啟車門等功能。

CAN系統又分為高速和低速，高速CAN系統采用硬線是動力型，速度：500kbps，控制ECU、ABS等；低速CAN是舒适型，速度：125Kbps，主要控制儀表、防盜等。

某醫院現有5台16T/H德國菲斯曼燃氣鍋爐，向洗衣房、制劑室、供應室、生活用水、暖氣等設

節點設計施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然氣1200萬m3，耗用20萬噸自來水。醫院采用接力式方式供熱，對熱網進行地域性管理，分四大供熱區。其中冬季暖氣的用氣量很大，據此設計了基于CAN現場總線的分布式鍋爐蒸汽熱網智能監控系統。現場應用表明：該樓宇自動化系統具有抗幹擾能力強，現場組态容易，網絡化程度高，人機界面友好等特點。

1CAN節點ECU的設計（硬件）

汽車節點ECU的開發可以選擇帶有在片CAN的微控制器，也可以選擇其它微控制器和相應的片外CAN控制器、收發器。本文以後者為例說明ECU的開發。

帶有CAN接口的ECU設計是總線開發的核心與關鍵，其中ECU的CAN總線模塊有幾個功能單元構成――CAN控制器和CAN收發器。CAN控制器執行完整的CAN協議，完成通訊功能，包括信息緩沖和接收濾波。CAN控制器與物理總線之間需要一個接口――CAN收發器，它實現CAN控制器與總線之間邏輯電平信号的轉換。CAN控制器和收發器完成CAN物理層和邏輯電路層的所有功能。應用層的功能則由軟件來實現。

各節點的ECU主要由MCU、DSP、CAN控制器SJA1000、CAN收發器PCA2C250和其它外圍器件構成。5給出一個由51單片機開發CAN節點的原理（中省略了SJA1000與PCA2C250之間的光耦等細節），完全可以說明帶CAN接口ECU設計的原理。

2CAN網絡通訊的實現（軟件）

CAN設計的三層結構模型為：物理層、數據鍊路層和應用層。物理層和數據鍊路層的功能由CAN接口器件完成，包括硬件電路和通訊協議兩部分。CAN通訊協議規定了四種不同用處的網絡通訊幀，即數據幀、遠程幀、錯誤指示幀和超載幀。CAN通訊協議的實現，包括各種通訊幀的組織和發送，均是由集成在SJA1000通訊控制器中的電路實現的，因此系統的開發主要在應用層的設計上。

應用層軟件的核心部分是CPU與SJA1000通訊控制器之間的數據接收和發送程序，即CPU把待發的數據發給SJA1000通訊控制器，再由SJA1000通訊控制器發到總線上；當SJA1000通訊控制器從總線接受到數據後，CPU再把數據取走。對于單片機而言，操作SJA1000就象訪問外部RAM一樣簡單。首先，應對SJA1000中的有關控制寄存器寫入控制字，進行初始化。之後，CPU即可通過SJA1000接收/發送緩沖區向物理總線接收和發送數據。