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概念
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概念
CAN 是Controller Area Network 的缩写以下称为CAN是ISO国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同由多条总线构成的情况很多线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN进行大量数据的高速通信”的需要1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。此后CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。
ISO11898 定义了通信速率为 125 kbps1 Mbps 的高速 CAN 通信标准属于闭环总线传输速率可达1Mbps总线长度 ≤ 40米。
ISO11519 定义了通信速率为 10125 kbps 的低速 CAN 通信标准属于开环总线传输速率为40kbps时总线长度可达1000米。
现在CAN 的高性能和可靠性已被认同并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。
CAN 控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平二者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化将消息发送给接收方。
特点
多主控制
在总线空闲时所有单元都可以发送消息多主控制而两个以上的单元同时开始发送消息时根据标识符Identifier 以下称为 ID决定优先级。ID 并不是表示发送的目的地址而是表示访问总线的消息的优先级。两个以上的单元同时开始发送消息时对各消息ID 的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜被判定为优先级最高的单元可继续发送消息仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。
消息的发送
在 CAN 协议中所有的消息都以固定的格式发送。总线空闲时所有与总线相连的单元都可以开始发送新消息。两个以上的单元同时开始发送消息时根据标识符Identifier 以下称为 ID决定优先级。ID 并不是表示发送的目的地址而是表示访问总线的消息的优先级。两个以上的单元同时开始发送消息时对各消息 ID 的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜被判定为优先级最高的单元可继续发送消息仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。
系统的柔软性
与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息。因此在总线上增加单元时连接在总线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变。
通信速度
根据整个网络的规模可设定适合的通信速度。在同一网络中所有单元必须设定成统一的通信速度。即使有一个单元的通信速度与其它的不一样此单元也会输出错误信号妨碍整个网络的通信。不同网络间则可以有不同的通信速度
远程数据请求
可通过发送“遥控帧” 请求其他单元发送数据。
错误检测功能 所有的单元都可以检测错误。
错误通知功能 检测出错误的单元会立即同时通知其他所有单元。
错误恢复功能
正在发送消息的单元一旦检测出错误会强制结束当前的发送。强制结束发送的单元会不断反复地重新发送此消息直到成功发送为止
故障封闭
CAN 可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误如外部噪声等还是持续的数据错误如单元内部故障、驱动器故障、断线等。由此功能当总线上发生持续数据错误时可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。
连接
CAN 总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速度可连接的单元数增加提高通信速度则可连接的单元数减少
状态
单元时钟处于 3 中状态之一。
主动错误状态
主动错误状态是可以正常参加总线通信的状态。处于主动错误状态的单元检测出错误时输出主动错误标志。
被动错误状态
被动错误状态是易引起错误的状态。处于被动错误状态的单元虽能参加总线通信但为不妨碍其它单元通信接收时不能积极地发送错误通知。处于被动错误状态的单元即使检测出错误而其它处于主动错误状态的单元如果没发现错误整个总线也被认为是没有错误的。
处于被动错误状态的单元检测出错误时输出被动错误标志。另外处于被动错误状态的单元在发送结束后不能马上再次开始发送。在开始下次发送前在间隔帧期间内必须插入“延迟传送”(8 个位的隐性位)
总线关闭态
总线关闭态是不能参加总线上通信的状态。信息的接收和发送均被禁止。这些状态依靠发送错误计数和接收错误计数来管理根据计数值决定进入何种状态。根据计数值决定进入何种状态。错误状态和计数值的关系如表所示 单元错误状态 发送错误计数值 接收错误计数值 主动错误状态 0-127 且 0-127 被动错误状态 128-255 或 128-255 总线关闭态 256- 总线拓扑
CAN 收发器根据两根总线CAN_High 和 CAN_Low的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平两种。总线必须处于两种电平之一。总线上执行逻辑上的线“与”。
显性电平对应逻辑0CAN_H和CAN_L之差为2.5V左右。而隐性电平对应逻辑1CAN_H和CAN_L之差为0V。在总线上显性电平具有优先权只要有一个单元输出显性电平总线上即为显性电平。而隐形电平则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 CAN 协议
CAN 通信是通过以下 5 种类型的帧进行的
1、数据帧
2、遥控帧
3、错误帧
4、过载帧
5、间隔帧
另外数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有 11 个位的标识符Identifier: 以下称 ID扩展格式有 29 个位的 ID。
各种帧的用途如下表所示 帧 帧用途 数据帧 用于发送单元向接收单元传送数据的帧。 遥控帧 用于接收单元向具有相同 ID 的发送单元请求数据的帧 错误帧 用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧。 过载帧 用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧。 间隔帧 用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧。
数据帧
数据帧由 7 个段构成。如下图所示 帧起始start of frame表示数据帧开始的段。
仲裁段表示该帧的优先级。
控制段表示数据的字节数及保留位的段。
数据段数据的内容可发送0-8个字节的数据。
CRC段检查帧的传输错误的段。
ACK段表示确认正常接收的段。
帧结束(EOF)表示数据帧结束的段。
RTR 位remote transmission request bit(远程发送请求位)。在数据帧中 RTR位恒为显性0在遥控帧中恒为隐性1。
SRR 位substitutes for remote request bit(替代远程请求位)。在扩展帧数据帧或遥控帧中SRR恒为隐性位1并且可以发现扩展帧的隐性SRR位正好对应标准帧的显性RTR位这就解释了 SRR位的作用在前11位ID号相同的情况下标准数据帧的优先级高于扩展数据帧。
IDE 位identifier extension bit(标识符扩展位) 在扩展帧中恒为隐性1在标准帧中IDE位于控制段且恒为显性0。且扩展帧IDE位和标准帧IDE位位置对应这就保证了 在前11位ID号相同的情况下标准遥控帧的优先级一定高于扩展遥控帧。 r0、r1保留位保留位必须全部以显性电平发送。但接收方可以接收显性、隐形及其任意组合的电平。 DLCdata length code(数据长度码)。数据的字节数必须为0-8。但接收方对 DLC 9-15的情况并不视为错误。
帧起始
帧的最开始的一位是帧起始也叫SOFStart Of FrameSOF恒为显性位即逻辑 0 。
帧起始表示CAN_H 和 CAN_L上有了电位差也就是说一旦总线上有了SOF就表示总线上开始有报文了。标准格式和扩展格式相同。 仲裁段
仲裁段是用来判定一帧报文优先级的依据仲裁段中的ID号也是实现报文过滤机制的基础。仲裁段由以下几个部分组成标准格式和扩展格式的构成有所不同。
数据帧仲裁段如下图所示 标准格式的 ID 有 11 个位。禁止高 7 位都为隐性。禁止设定ID1111111XXXX
扩展格式的 ID 有 29 个位。基本 ID 从 ID28 到 ID18扩展 ID 由 ID17 到 ID0 表示。基本 ID 和标准格式的 ID 相同。禁止高 7 位都为隐性。禁止设定基本 ID1111111XXXX
控制段
控制段由 6 个位构成表示数据段的字节数。标准格式和扩展格式的构成有所不同。 数据段
数据段可包含0-8个字节的数据。从 MSB 最高位开始传输。标准格式和扩展格式相同。 CRC段
CRC 段是检查帧传输错误的帧。由 15 个位的 CRC 顺序 和 1 个位的 CRC 界定符用于分隔的位构成。标准格式和扩展格式相同。 CRC顺序是根据多项式生成的 CRC 值CRC 的计算范围包括帧起始、仲裁段、控制段、数据段。接收方以同样的算法计算 CRC 值并进行比较不一致时会通报错误。 ACK 段
ACK 段用来确认是否正常接收。由 ACK 槽(ACK Slot)和 ACK 界定符 2 个位构成。标准格式和扩展格式相同。 发送单元的 ACK发送单元在 ACK 段发送2个位的隐形位。
接收单元的 ACK接收到正确消息的单元在ACK槽发送显性位置通知发送单元正常接收结束。这称作发送ACK或者返回ACK。
发送 ACK 的是在既不处于总线关闭态也不处于休眠态的所有接收单元中接收到正常消息的单元发送单元不发送 ACK。所谓正常消息是指不含填充错误、格式错误、CRC 错误的消息。
帧结束
帧结束是表示该帧的结束的段。由 7 个位的隐性位构成。标准格式和扩展格式相同。 遥控帧
接收单元向发送单元请求发送数据所用的帧。遥控帧由 6 个段组成。遥控帧没有数据帧的数据段。遥控帧的构成如下图所示 遥控帧和数据帧的不同
遥控帧的 RTR 位为隐形位没有数据段。没有数据段的数据帧和遥控帧可通过 RTR 位区别开来。遥控帧的数据长度码以所请求数据帧的数据长度码表示。
错误帧
用于在接收和发送消息时检测出错误通知错误的帧。错误帧由错误标志和错误界定符构成。错误帧的构成如下图所示 错误标志错误标志包括主动错误标志和被动错误标志两种。
主动错误标志6 个位的显性位。
被动错误标志6 个位的隐性位。 错误界定符错误界定符由 8 个位的隐性位构成。
过载帧
过载帧是用于接收单元通知其尚未完成接收准备的帧。过载帧由过载标志和过载界定符构成。过载帧的构成如下图所示 过载标志
6 个位的显性位。过载标志的构成与主动错误标志的构成相同。
过载界定符
8 个位的隐性位。过载界定符的构成与错误界定符的构成相同
帧间隔
帧间隔是用于分隔数据帧和遥控帧的帧。数据帧和遥控帧可通过插入帧间隔将本帧与前面的任何帧数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧分开。过载帧和错误帧前不能插入帧间隔。
帧间隔的构成如下图所示 间隔
3 个位的隐性位。
总线空闲
隐性电平无长度限制0 亦可。
本状态下可视为总线空闲要发送的单元可开始访问总线。
延迟传送发送暂时停止
8 个位的隐性位。
只在处于被动错误状态的单元刚发送一个消息后的帧间隔中包含的段
优先级的决定
在总线空闲态最先开始发送消息的单元获得发送权。多个单元同时开始发送时各发送单元从仲裁段的第一位开始进行仲裁。连续输出显性电平最多的单元可继续发送。
仲裁的过程如下图所示 位填充
位填充是为防止突发错误而设定的功能。当同样的电平持续 5 位时则添加一个位的反型数据。
发送单元的工作
在发送数据帧和遥控帧时SOFCRC 段间的数据相同电平如果持续 5 位在下一个位第 6 个位则要插入 1 位与前 5 位反型的电平。
接收单元的工作
在接收数据帧和遥控帧时SOFCRC 段间的数据相同电平如果持续 5 位需要删除下一个位第 6 个位再接收。如果这个第 6 个位的电平与前 5 位相同将被视为错误并发送错误帧。 注以上内容均来自《CAN入门书》的学习笔记。
