CAN實(shí)現(xiàn)總線分配的方法，可保證當(dāng)不同的站申請(qǐng)總線存取時(shí)，明確地進(jìn)行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當(dāng)兩個(gè)站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的碰撞問題。不同于Ethernet網(wǎng)絡(luò)的消息仲裁，CAN的非破壞性解決總線存取沖突的方法，確保在不傳送有用消息時(shí)總線不被占用。甚至當(dāng)總線在重負(fù)載情況下，以消息內(nèi)容為優(yōu)先的總線存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。雖然總線的傳輸能力不足，所有未解決的傳輸請(qǐng)求都按重要性順序來處理。在CSMA/CD這樣的網(wǎng)絡(luò)中，如Ethernet，系統(tǒng)往往由于過載而崩潰，而這種情況在CAN中不會(huì)發(fā)生。

CAN的報(bào)文格式

在總線中傳送的報(bào)文，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報(bào)文格式，其唯一的不同是標(biāo)識(shí)符（ID）長度不同，標(biāo)準(zhǔn)格式為11位，擴(kuò)展格式為29位。

在標(biāo)準(zhǔn)格式中，報(bào)文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位 (RTR）組成的仲裁場。RTR位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀還是請(qǐng)求幀，在請(qǐng)求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。

控制場包括標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位（IDE），指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式。它還包括一個(gè)保留位 (ro），為將來擴(kuò)展使用。它的最后四個(gè)字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度（DLC）。數(shù)據(jù)場范圍為0～8個(gè)字節(jié),其后有一個(gè)檢測數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余檢查(CRC）。

應(yīng)答場（ACK）包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平（邏輯1），這時(shí)正確接收?qǐng)?bào)文的接收站發(fā)送主控電平（邏輯0）覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)站能正確接收到報(bào)文。

報(bào)文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報(bào)文間有一很短的間隔位，如果這時(shí)沒有站進(jìn)行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。

CAN數(shù)據(jù)幀的組成

遠(yuǎn)程幀

遠(yuǎn)程幀由6個(gè)場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。遠(yuǎn)程幀不存在數(shù)據(jù)場。

遠(yuǎn)程幀的RTR位必須是隱位。

DLC的數(shù)據(jù)值是獨(dú)立的，它可以是0～8中的任何數(shù)值，為對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度。

錯(cuò)誤幀

錯(cuò)誤幀由兩個(gè)不同場組成，第一個(gè)場由來自各站的錯(cuò)誤標(biāo)志疊加得到，第二個(gè)場是錯(cuò)誤界定符

錯(cuò)誤標(biāo)志具有兩種形式：

活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志（Active error flag），由6個(gè)連續(xù)的顯位組成

認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志（Passive error flag），由6個(gè)連續(xù)的隱位組成

錯(cuò)誤界定符包括8個(gè)隱位

超載幀

超載幀包括兩個(gè)位場：超載標(biāo)志和超載界定符

發(fā)送超載幀的超載條件：

要求延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀

在間歇場檢測到顯位

超載標(biāo)志由6個(gè)顯位組成

超載界定符由8個(gè)隱位組成

數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測

不同于其它總線，CAN協(xié)議不能使用應(yīng)答信息。事實(shí)上，它可以將發(fā)生的任何錯(cuò)誤用信號(hào)發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯(cuò)誤的方法，其中前三種為基于報(bào)文內(nèi)容檢查。

3.4.1循環(huán)冗余檢查（CRC)

在一幀報(bào)文中加入冗余檢查位可保證報(bào)文正確。接收站通過CRC可判斷報(bào)文是否有錯(cuò)。

3.4.2 幀檢查

這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報(bào)文的正確性，用于檢查格式上的錯(cuò)誤。

3.4.3.應(yīng)答錯(cuò)誤

如前所述，被接收到的幀由接收站通過明確的應(yīng)答來確認(rèn)。如果發(fā)送站未收到應(yīng)答，那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯(cuò)誤，也就是說，ACK場已損壞或網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文無站接收。CAN協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯(cuò)誤。

3.4.4 總線檢測

有時(shí)，CAN中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)可監(jiān)測自己發(fā)出的信號(hào)。因此，發(fā)送報(bào)文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。

3.4.5 位填充

一幀報(bào)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(bào)文中有太多相同電平的位，就有可能失去同步。為保證同步，同步沿用位填充產(chǎn)生。在五個(gè)連續(xù)相等位后，發(fā)送站自動(dòng)插入一個(gè)與之互補(bǔ)的補(bǔ)碼位；接收時(shí)，這個(gè)填充位被自動(dòng)丟掉。例如，五個(gè)連續(xù)的低電平位后，CAN自動(dòng)插入一個(gè)高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯(cuò)誤，如果在一幀報(bào)文中有6個(gè)相同位，CAN就知道發(fā)生了錯(cuò)誤。

如果至少有一個(gè)站通過以上方法探測到 一個(gè)或多個(gè)錯(cuò)誤，它將發(fā)送出錯(cuò)標(biāo)志終止當(dāng)前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯(cuò)誤的報(bào)文，并保證網(wǎng)絡(luò)上報(bào)文的一致性。當(dāng)大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后，發(fā)送站會(huì)自動(dòng)地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。作為規(guī)則，在探測到錯(cuò)誤后23個(gè)位周期內(nèi)重新開始發(fā)送。在特殊場合，系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間為31個(gè)位周期。

但這種方法存在一個(gè)問題，即一個(gè)發(fā)生錯(cuò)誤的站將導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)被終止，其中也包括正確的數(shù)據(jù)。因此,如果不采取自監(jiān)測措施，總線系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)。為此，CAN協(xié)議提供一種將偶然錯(cuò)誤從永久錯(cuò)誤和局部站失敗中區(qū)別出來的辦法。這種方法可以通過對(duì)出錯(cuò)站統(tǒng)計(jì)評(píng)估來確定一個(gè)站本身的錯(cuò)誤并進(jìn)入一種不會(huì)對(duì)其它站產(chǎn)生不良影響的運(yùn)行方法來實(shí)現(xiàn)，即站可以通過關(guān)閉自己來阻止正常數(shù)據(jù)因被錯(cuò)誤地當(dāng)成不正確的數(shù)據(jù)而被終止。

硬同步和重同步

硬同步只有在總線空閑狀態(tài)條件下隱形位到顯性位的跳變沿發(fā)生時(shí)才進(jìn)行，表明報(bào)文傳輸開始。在硬同步之后，位時(shí)間計(jì)數(shù)器隨同步段重新開始計(jì)數(shù)。硬同步強(qiáng)行將已發(fā)生的跳變沿置于重新開始的位時(shí)間同步段內(nèi)。根據(jù)同步規(guī)則，如果某一位時(shí)間內(nèi)已有一個(gè)硬同步出現(xiàn)，該位時(shí)間內(nèi)將不會(huì)發(fā)生再同步。再同步可能導(dǎo)致相位緩沖段1被延長或相位緩沖段2被短。這兩個(gè)相位緩沖段的延長時(shí)間或縮短時(shí)間上限由再同步跳轉(zhuǎn)寬度（SJW）給定。

CAN總線可靠性

為防止汽車在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)交換錯(cuò)誤而對(duì)司機(jī)造成危險(xiǎn)，汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃宰銐蚋撸蛘邭埩粝聛淼臄?shù)據(jù)錯(cuò)誤足夠低的話，這一目標(biāo)不難實(shí)現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看，可靠性可以理解為，對(duì)傳輸過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的識(shí)別能力。

殘余數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的概率可以通過對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計(jì)測量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯(cuò)誤概率必須非常小，使其在系統(tǒng)整個(gè)壽命周期內(nèi)，按平均統(tǒng)計(jì)時(shí)幾乎檢測不到。計(jì)算殘余錯(cuò)誤概率要求能夠?qū)?shù)據(jù)錯(cuò)誤進(jìn)行分類，并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘余錯(cuò)誤概率，我們可將殘留錯(cuò)誤的概率作為具有80～90位的報(bào)文傳送時(shí)位錯(cuò)誤概率的函數(shù)，并假定這個(gè)系統(tǒng)中有5～10個(gè)站，并且錯(cuò)誤率為1/1000，那么最大位錯(cuò)誤概率為10—13數(shù)量級(jí)。例如，CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率最大為1Mbps，如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用50%，那么對(duì)于一個(gè)工作壽命4000小時(shí)、平均報(bào)文長度為 80位的系統(tǒng)，所傳送的數(shù)據(jù)總量為9×1010。在系統(tǒng)運(yùn)行壽命期內(nèi)，不可檢測的傳輸錯(cuò)誤的統(tǒng)計(jì)平均小于10—2量級(jí)。換句話說，一個(gè)系統(tǒng)按每年365天，每天工作8小時(shí)，每秒錯(cuò)誤率為0. 7計(jì)算，那么按統(tǒng)計(jì)平均，每1000年才會(huì)發(fā)生一個(gè)不可檢測的錯(cuò)誤。

CAN總線應(yīng)用舉例

CAN總線在工控領(lǐng)域主要使用低速-容錯(cuò)CAN即ISO11898-3標(biāo)準(zhǔn)，在汽車領(lǐng)域常使用500Kbps的高速CAN。

某進(jìn)口車型擁有，車身、舒適、多媒體等多個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)，其中車身控制使用CAN網(wǎng)絡(luò)，舒適使用LIN網(wǎng)絡(luò)，多媒體使用MOST網(wǎng)絡(luò)，以CAN網(wǎng)為主網(wǎng)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、ABS等車身安全模塊，并將轉(zhuǎn)速、車速、油溫等共享至全車，實(shí)現(xiàn)汽車智能化控制，如高速時(shí)自動(dòng)鎖閉車門，安全氣囊彈出時(shí)，自動(dòng)開啟車門等功能。

CAN系統(tǒng)又分為高速和低速，高速CAN系統(tǒng)采用硬線是動(dòng)力型，速度：500kbps，控制ECU、ABS等；低速CAN是舒適型，速度：125Kbps，主要控制儀表、防盜等。

某醫(yī)院現(xiàn)有5臺(tái)16T/H德國菲斯曼燃?xì)忮仩t，向洗衣房、制劑室、供應(yīng)室、生活用水、暖氣等設(shè)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(yī)院采用接力式方式供熱，對(duì)熱網(wǎng)進(jìn)行地域性管理，分四大供熱區(qū)。其中冬季暖氣的用氣量很大，據(jù)此設(shè)計(jì)了基于CAN現(xiàn)場總線的分布式鍋爐蒸汽熱網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)。現(xiàn)場應(yīng)用表明：該樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)，現(xiàn)場組態(tài)容易，網(wǎng)絡(luò)化程度高，人機(jī)界面友好等特點(diǎn)。

CAN總線優(yōu)點(diǎn)

廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，可以多主方式工作；

采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；

采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時(shí)間短；

每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境下使用；

節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響；

可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一對(duì)多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。

具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)；

采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；

具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-Bus上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)；

可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文；

可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制；

發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)；

節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能；

報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息。

CAN總線測試工具

CAN總線多用于工控和汽車領(lǐng)域，在CAN總線的開發(fā)測試階段，需要對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)功能，網(wǎng)路整合等進(jìn)行開發(fā)測試，需要虛擬、半虛擬、全實(shí)物仿真測試平臺(tái)，并且必須測試各節(jié)點(diǎn)是否符合ISO11898中規(guī)定的錯(cuò)誤響應(yīng)機(jī)制等，所以CAN總線的開發(fā)需要專業(yè)的開發(fā)測試工具，并且在生產(chǎn)階段也需要一批簡單易用的生產(chǎn)線測試工具。CAN總線開發(fā)測試工具的主要供應(yīng)商有ZLG、Passion IXXAT、IHR、Vector、Intrepidcs、Passion Warwick等。常用的開發(fā)測試工具如CANScope、CANalyst-II、Passiontech DiagRA、canAnalyser、X-Analyser、AutoCAN、CANspider等。

Can總線技術(shù)在汽車行業(yè)的運(yùn)用

汽車為什么選擇了CAN總路線技術(shù)？

從成本上來說，CAN比UART、RS-232/485高，但比以太網(wǎng)低；從實(shí)時(shí)性來說：CAN的實(shí)時(shí)性比UART和以太網(wǎng)高，為了保證安全，車用通信協(xié)議都是按周期性主動(dòng)發(fā)送，不論是CAN還是LIN，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的消息其發(fā)送周期都小于10ms（每輛車都有好幾條這樣的消息），發(fā)動(dòng)機(jī)、ABS和變速器都有幾條這樣的消息；從可靠性來說，CAN有一系列事故安全措施，這是UART和以太網(wǎng)都不具備的，多點(diǎn)冗余也是UART（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸）和工業(yè)以太網(wǎng)（數(shù)據(jù)傳輸距離短）難于實(shí)現(xiàn)的，所以CAN出現(xiàn)后，由于價(jià)格的原因，最初應(yīng)用得最多的地方并不是汽車，而是對(duì)成本不敏感的工業(yè)控制和醫(yī)療設(shè)備。

其次總線是一個(gè)系統(tǒng)，總線上的速度僅僅是系統(tǒng)中的一個(gè)因素，ElexRay雖然只有20MBPS但它在一個(gè)16BIT的MCU上都能跑起來，100MHZ以太網(wǎng)雖快，但一個(gè)32BIT的MCU很難達(dá)到10MBPS。況且還要涉及到系統(tǒng)的安全性，類似冗余，BUS安全等。所以綜合考慮，汽車選擇了CAN總線技術(shù)。

汽車CAN總路線技術(shù)

通過遍布車身的傳感器，汽車的各種行駛數(shù)據(jù)會(huì)被發(fā)送到“總線”上，這些數(shù)據(jù)不會(huì)指定唯一的接收者，凡是需要這些數(shù)據(jù)的接收端都可以從“總線”上讀取需要的信息。Can總線的傳輸數(shù)據(jù)非?？?，可以達(dá)到每秒傳輸32bytes有效數(shù)據(jù)，這樣可以有效保證數(shù)據(jù)的實(shí)效性和準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的轎車在機(jī)艙和車身內(nèi)需要埋設(shè)大量線束以傳遞傳感器采集的信號(hào)，而Can-Bus總線技術(shù)的應(yīng)用可以大量減少車體內(nèi)線束的數(shù)量，線束的減少則降低了故障發(fā)生的可能性。

CAN-Bus介紹

控制器局部網(wǎng)（Controller Area Network）是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)，由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門?？刂破骶植烤W(wǎng)將在中國迅速普及推廣。

控制器區(qū)域網(wǎng)（Controller Area Network)CAN現(xiàn)場總線已經(jīng)成為在儀表裝置通訊的新標(biāo)準(zhǔn)。它提供高速數(shù)據(jù)傳送，在短距離（40m)條件下具有高速（1Mbit/s）數(shù)據(jù)傳輸能力，而在最大距離10000m時(shí)具有低速（5kbits/s）傳輸能力，極適合在高速的工業(yè)自控應(yīng)用上。CAN總線可在同一網(wǎng)絡(luò)上連接多種不同功用的傳感器（如位置，溫度或壓力等）。