CAN總線概述

CAN（Controller Area Network）總線是控制器局域網(wǎng)絡的簡稱，由BOSCH公司提出一種大量應用于車載控制系統(tǒng)，工業(yè)局域網(wǎng)的現(xiàn)場總線。

CAN總線應用框圖

圖1 CAN應用框圖

一個CAN總線可以掛載多個CAN節(jié)點，CAN節(jié)點通過CAN收發(fā)器接入CAN總線。任意CAN節(jié)點均可通過仲裁獲取總線控制權（多主機系統(tǒng)）。CAN節(jié)點通過對比總線上報文的ID信息，若ID匹配則選擇接收幀。CAN總線為異步總線，總線內進行通信前需要統(tǒng)一總線中所有節(jié)點的傳輸速率。

CAN總線接口信號

表1 CAN接口信號

CAN收發(fā)器與CAN節(jié)點直接通過CMOS電平通信。CAN收發(fā)器負責監(jiān)聽CAN總線上的電平通過RXD發(fā)送給CAN節(jié)點。同時CAN節(jié)點通過TXD控制CAN收發(fā)器向總線發(fā)送信息。TXD為0時，CAN收發(fā)器發(fā)送顯性電平（CANH-CANL》0.9v，CANH比CANL電平高）；TXD為1時，發(fā)送隱形電平（CANH-CANL《0.5v，CANH和CANL電平相同）。

CAN總線數(shù)據(jù)/遠程幀格式

圖2 CAN數(shù)據(jù)/遠程幀標準幀格式

CAN總共有4種消息類型：數(shù)據(jù)幀，遠程幀，錯誤幀，過載幀。數(shù)據(jù)幀和遠程幀格式類似如圖2所示，數(shù)據(jù)/遠程幀由多個域組成：

幀間隔：當總線空閑時，總線為隱形電平（1）。

幀起始：CAN節(jié)點向總線發(fā)送1bit顯性電平（0），標志幀起始位

仲裁域：仲裁域包含兩部分，11bit的ID指示幀發(fā)送節(jié)點身份標識，1bit RTR（Remote Transmission Request）指示該幀為數(shù)據(jù)幀（顯性電平）還是遠程幀（隱性電平）。該域之所以稱之為仲裁域，是因為其除了承載上述信息外，還被應用于CAN總線獨特的非破壞性仲裁機制。其仲裁原理為，當多個CAN節(jié)點向總線同時發(fā)送CAN數(shù)據(jù)/遠程幀時，當發(fā)送至仲裁域時，對于ID數(shù)值大的節(jié)點就會檢測到總線上的電平與其發(fā)送的電平不匹配于是其終止發(fā)送，直到剩下ID數(shù)值最小的幀，繼續(xù)發(fā)送。 CAN總線為線與邏輯，有一個節(jié)點發(fā)送0則總線為0，所有節(jié)點發(fā)送1才為1，因此ID在逐位發(fā)送時（高位先傳）必然是數(shù)字小的ID可以始終保持和總線電平一致，最終能獲取總線控制權。仲裁失敗的節(jié)點在總線空閑時，自動重發(fā)幀。

控制域：控制域總共6bit，高2bit為保留位（顯性電平），低4bit DLC（Data Length Code）指示數(shù)據(jù)域長度，可以是0~8字節(jié)。對于遠程幀DLC域無意義。

數(shù)據(jù)域：0~8字節(jié)數(shù)據(jù)Payload，數(shù)據(jù)長度由DLC決定。遠程幀該域長度為0。

CRC域：包含15bit CRC，1bit CRC定界符（隱性電平）。CRC保護范圍從幀起始符開始至數(shù)據(jù)域結束。

ACK域：2bit長度，包含ACK Slot和ACK定界符。對于發(fā)送方，該兩bit均為隱性電平，接收方如果正確接收則將ACK Slot位置為顯性電平。

幀結束：ACK域結束后發(fā)送7bit隱性電平，標識本次幀發(fā)送完畢。

數(shù)據(jù)幀用于發(fā)送節(jié)點向接收節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，遠程幀為接收節(jié)點主動向總線上發(fā)起發(fā)送數(shù)據(jù)請求。

圖3 CAN數(shù)據(jù)/遠程幀擴展幀格式

數(shù)據(jù)幀和遠程幀格式有標準幀格式和擴展幀格式的區(qū)別，擴展幀格式如圖3所示。擴展幀和標準幀的差異在仲裁域的不同，擴展幀通過拓寬仲裁域達到拓寬ID位寬（11bità19bit）。為了擴展幀和標準幀兼容，增加了SRR（隱性電平）和IDE（隱性電平）域，這樣對于CAN節(jié)點來說區(qū)分擴展幀和標準幀僅需要檢查從幀起始開始第12bit（SRR/RTR），第13bit（IDE/R1）的電平即可。{bit12，bit13}=2’bx0則為標準幀，{bit12，bit13}=2’b11則為擴展幀。

數(shù)據(jù)/遠程幀在發(fā)送至總線時會進行位填充編碼。當節(jié)點檢測到發(fā)送數(shù)據(jù)中包含5個連續(xù)隱性或者顯性電平時會增加一位反型數(shù)據(jù)。CAN節(jié)點只會對數(shù)據(jù)/遠程幀從幀起始到CRC域（不包含CRC定界符）數(shù)據(jù)進行位填充編碼。

CAN總線其他幀格式

圖4 CAN錯誤幀格式

錯誤幀，用于某節(jié)點檢測到錯誤后，告知總線上其他節(jié)點。如圖4所示，錯誤幀由錯誤標識域、錯誤定界符由兩部分組成，。

錯誤標識域：分主動錯誤標識和被動錯誤標識兩種類型。對于獲得總線控制權的節(jié)點（主動節(jié)點）檢測到錯誤時，發(fā)起連續(xù)6個顯性電平稱為主動錯誤標識?？偩€上的被動節(jié)點識別到錯誤后，啟動發(fā)送6個隱性電平稱為被動錯誤標識。如果此時主動節(jié)點未發(fā)現(xiàn)錯誤被動錯誤幀被忽略。錯誤標識會在不同節(jié)點中重疊，因此在總線上看到的錯誤標識符長度可能為6~12位。

錯誤定界符：節(jié)點在總線上檢測到第1個隱性電平后，再發(fā)送7位的隱性電平，則錯誤幀發(fā)送完畢。

過載幀，某個接收節(jié)點沒有做好接收下一幀數(shù)據(jù)的準備時，將發(fā)送過載幀以通知發(fā)送節(jié)點。過載幀和錯誤幀格式相同，過載標識域對應錯誤標識域，過載定界符對應錯誤定界符。區(qū)別在于錯誤幀在只會在幀發(fā)送過程中出現(xiàn)，過載幀只會在幀間隔中出現(xiàn)。
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