详解基于CAN总线的汽车仪表系统设计—CAN总线原理分析

控制器局域网CAN
控制器局域网CAN(CAN一  ControllerAreaNetwork)为串行通讯协议，属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。CAN的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN。控制器局域网采用双线串行通信方式工作。具有强有力的检错功能，可在高噪声干扰环境中使用，具有优先权和仲裁功能、多个单片微机可通过CAN的控制器挂到CAN总线上，形成多主机局部控制网。CAN的最初设计目标是取代汽车中过多的硬件连接控制电路，但由于它的优良性能，现在除了汽车外，它已在工业自动化、各种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等各领域得到了广泛的应用[20]。1993年n月150正式颁布了道路交通运载工具一数字信息交换一高速通信控制器局域网CAN国际标准 15011898，为控制器局域网标准化、规范化的推广铺平了道路。

2.2.1 CAN技术规范

CAN是德国Bosch公司在20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制模块与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线，是一种多主站总线通信系统。通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，其通信速率可达IMbPs，最大通信距离可达5000m。在CAN总线通信控制器中集成了以N协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括零位的插入/删除、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作〔22]。在汽车电子行业里，使用CAN连接发动机控制单元、自动变速箱控制单元ABS系统等等，其传输速度可达 1Mbit/s。同时，可以将CAN安装在卡车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等等，用以代替接线配线装置。制定技术规范的目的是为了在任何两个以N仪器之间建立兼容性。可是，兼容性有不同的方面，比如电气特性和数据转换的解释。为了达到设计透明度以及实现灵活性，根据150/051参考模型，CAN被细分为以下不同的层次 :

1、CAN对象层  (the objeet layer)
2、eAN传输层  (the transfer layer)
3、物理层

 

对象层和传输层包括所有150/051模型定义的数据链路层的服务和功能，即逻辑链路控制子层(LLC)和媒体访问控制子层(MAC)，对象层的作用包括:

1、查找被发送的报文;
2、确定由实际要使用的传输层接收哪一个报文;
3、为应用层相应的硬件提供接口。

 

传输层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。总线上什么时候开始发送新报文及什么时候开始接收报文，均在传输层里确定。位定时的一些普通功能也可以看作是传输层的一部分，，理所当然，传输层的修改是受到限制的。物理层的作用是在不同的节点之间根据所有电气属性进行位信息的实际传输。在同一网络内，物理层对于所有的节点必须是相同的。

 2.2.2 CAN的基本概念
下面对CAN协议的媒体访问控制子层(传输层)的一些专业术语和特征作说明CAN协议的媒体访问控制子层(传输层)的一些专业术语和特征作(Message):

1、总线上的报文以不同报文格式发送，但长度受到限制。总线空闲时，任何一个网络上的节点都可以发送报文。
2、信息路由 (InformationRouting):在CAN网络中，节点不使用任何关于系统配置的报文比如站地址，由接收节点根据报文本身特征判断是否接受这帧信息。因此系统扩展时，不用对应用层以及任何节点软件和硬件作任何改变，可以直接在CAN网络中增加节点。
3、标识符(Identifier):要传送的报文有特征标识符(是数据帧和远程帧的一个域)，它给出的不是目标节点地址，而是这个报文本身的特征。信息以广播方式在网络上发送，所有节点都可以接收到。节点通过标识符判定是否接受接收到的这帧信息。
4、数据一致性:应确保报文在CAN网络里同时被所有节点接收或同时不接收。这是配合错误处理和再同步功能实现的。
5、位速率:不同的CAN系统速度不同，但在一个给定的系统里，位速率是唯一的，并且固定的。
6、优先权:由发送数据的报文中的标识符决定报文占用总线的优先权。标识符越小，优先权越高。
7、远程数据请求  (RemoteDataRequest):通过发送远程帧，需要数据的节点请求另一节点发送相应的数据。回应节点传送的数据帧与请求数据的远程帧由相同的标识符命名。
8、仲裁(Arbitration):只要总线空闲，任何节点都可以向总线发送报文。如果有两个或两个以上的节点同时发送报文，就会引起总线访问冲突。通过使用标识符的逐位仲裁一一载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD，Ca仃lersenseMultipleAccesswitheollisionDeteet)—的无损仲裁方式就可以解决这个lb]题。
9、错误检测与可靠性:为了保证发送的报文正确可靠，CAN采用发送滥听的位错误检测、帧数据的循环冗余码CRC校验、位填充技术、帧格式校验和应答检测等五种错误检测方法。这些措施使CAN具有识别全部的全局错误、发送端的局部错误、一帧信息中的5个以上随机错误、报文中长度小于巧的突发
性错误和报文中任一奇数个错误，使报文错误漏报率小于 4.7x10
10、故障界定(ConfinemenO:CAN节点能区分瞬时扰动引起的故障和永久性故障。故障节点会被关闭。
11、同步:CAN节点之间采用串行线连接，数据和同步信号都由这个通道承担。信息发送有起始同步信号，传送过程中接收节点进行再同步。
12、总线状态:e胡总线上用“显性(dominant)”和“隐性(reeessive)”两个互补的逻辑值表示“0”和“1”，“显性”对应逻辑“0”，“隐性”对应逻辑“1”，“显性”状态和“隐性”状态线与为“显性”状态，所以当在总线上出现两个节点同时分别发送“0”和“1”时，其结果是总线数值为显性“O”。CAN总线采用二进制不归零伽Rz)编码方式，所以总线上不是“0”，就是“1”。其具体代表值与电压的关系如图2一1所示:

13、应答:接收节点对正确接收的报文给出应答，对不一致报文进行标记。
14、位流编码:一帧报文中，起始域、仲裁域、控制域、数据域和CRC域的二进制位流通过位填充方式编码。当连续出现5个相同极性位时，自动插入一个补码;报文中其他域不使用位流编码，错误帧和过载帧也不使用。

2.2.3 CAN总线的技术特点

随着通信技术的发展，CAN总线己广泛应用于各行各业的工业现场，根据不同的需要或以主从方式，或多主方式工作，鉴于其极高的可靠性和独特的设计以及高速率，传输距离较长的特点，特别适合工业现场监控设备的互联。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对数据块进行编码。采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由H位(以N技术规范2.以)或29位(CAN技术规范2.0B)二进制数组成，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。概括起来，它具有如下特点

1、CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。
2、CAN的直接通信距离最远可达IOkm(速率SKbp、以下)，通信速率最高可达IMbpS(此时通信距离最长为40m)。
3、CAN为多主从工作方式，网络上任意一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他接点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息，利用这一特性可方便地构成多机备份系统。
4、网络上的节点信息可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在 134ps内得到传输。
5、CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而高优先级的节点可以不受影响地继续传送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况(而以太网则可能)。
6、CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传播接收数据，无需专门的“调度”
7、CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个，报文标识符可达2030种 (CAN2.OA)，而扩展标准(CAN2.OB)的报文标识符几乎不受限制。
8、CAN采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。
9、以N的每帧信息都有CRC校验及其他校验措施，保证了数据出错率极低。
10、以CAN总线上的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，退出网络通讯，保证总线上其它节点的操作不受影响。
11、CAN还具有借助接收滤波的多地址帧传送、远程数据请求、配置灵活性、全系统数据相容性、错误检测和出错信令的功能。
12、CAN在发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送，而且可以进行暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离。CAN的信号传输采用短帧结构，数据段长度最多为8个字节，每一帧的有效字节数为8个，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，传输的时间短，从而保证了通信的实时性。受干扰的概率低，每帧信息均有CRC校验和其他检错措施，通信误码率极低。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。以N节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，这时故障节点与总线脱离，使其他节点的通信不受影响。CAN的这些卓越特性以及极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互联，并己被公认为最有前途的现场总线之一。

2.2.4 CAN的分层结构

CAN遵从051模型，按照051基准模型，CAN结构划分为两层:数据链路层和物理层，其中数据链路层包括逻辑链路层LLC和媒体访问控制层MAC。如图2一2所示1]。

 
2.2.4CAN总线的分层结构

CAN遵从051模型，按照051基准模型，CAN结构划分为两层:数据链路层和物理层，其中数据链路层包括逻辑链路层LLC和媒体访问控制层MAC。如图2一2所示123]。

 
LLC子层的主要功能是:为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文己被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。MAC子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧的结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。物理层的功能是有关全部电气特性在不同节点间的实际传送。CAN技术规范2.OB定义了数据链路中的MAC子层和LLC子层的一部分，并描述与 CAN有关的外层。物理层定义了信号怎样进行发送，因而，涉及位定时、位编码元和同步的描述。在这部分技术规范中，未定义物理层中的驱动器/接收器特性，以便允许根据具体应用，对发送媒体和信号电平进行优化。MAC子层是CAN协议的核心，它描述由LLC子层接收到的报文和对LLC子层发送的认可报文。MAC子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测标定。MAC子层由称为故障界定的一个管理实时监控，它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。LLC子层的主要功能是报文滤波、超载通知和恢复管理。、从物理结构上看，一个CAN节点的构成如图2一3所示。在CAN网络中，物理层从结构上可分为三层:分别是物理信号层(P璐， PhysicalSignaling)，物理介质附件层(pMA，  physiealMediaAitachment)和介质接口层(MDI，MediaD叩endentInteiface)。其中PLS层连同数据链路层功能由CAN控制器完成，PMA层功能由CAN收发器完成，MDI层定义了电缆和连接器的特性。目前也有支持 CAN的微控制器内部集成了CAN控制器和收发器电路。PMA和MDI两层有很多不同的国际或国家或行业标准，也可自行定义，比较流行的是15011898定义的高速CAN发送/接收器标准。