CAN总线基础

时间 2019-11-05

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CAN总线基础（上）

概述安全

汽车电子设备的不断增多，对汽车上的线束分布以及信息共享与交流提出了更高的要求。传统的电气系统每每采用单一链接的方式通讯，这必将带来线束的冗余以及维修的成本的提升。网络

传统的单一通讯的对接方式，已经不能知足现代汽车电子发展的需求，采用更为先进的总线技术势在必行。总线技术能够实现信息的实时共享、解决了传统布线方式中线束多、布线难、成本高等问题，从而提升整车通讯的质量与品质。异步

CAN总线（Controller Area Network，控制器局域网络）由德国博世公司于上世纪80年代提出，近20年来，随着CAN总线在工业测控与汽车领域的普及，CAN网络技术不断优化，取得了长足发展。现在CAN总线已经成为了汽车上不可或缺的重要环节，ECU内部的CAN总线开发也占到了ECU开发中的很大份量。在汽车中为了知足车载系统的不一样要求，主要采用高速CAN和低速CAN。这二者以不一样的总线速率工做以得到最佳的性价比，在两条总线之间采用CAN网关进行链接。性能

（1）高速CAN（动力总线）优化

高速CAN总线的传输速率范围在125kbit/s - 1Mbit/s之间，主要用于传动系数传输的实时性要求（如发动机控制、自动变速箱控制、行驶稳定系统、组合仪表等）。编码

（2）低速CAN（温馨总线）设计

低速CAN总线的传输速率范围在5kbit/s - 125kbit/s之间。主要用于温馨系统和车身系统的数据传输的实时性要求（如空调控制、座椅调节、车窗升降等）。3d

CAN总线特色orm

CAN总线是一种串行数据通信协议，其中包含了CAN协议的物理层以及数据链路层。能够完成对数据的位填充，数据块编码，循环冗余效验，帧优先级的判别等工做。其主要特色以下：blog

（1）多主机方式工做，网络上任意一个节点（未脱离总线）都可以随时向总线网络上发布报文帧。

（2）节点发送的报文帧能够分为不一样的优先级，知足不一样实时要求。

（3）采用载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）技术，当两个节点同时发布信息时，高优先级报文可不受影响地传输数据。

（4）节点总数实际可达110个。

（5）采用短帧结构，每一帧最多有8个有效字节。

（6）当某个节点错误严重时，具备自动关闭功能，切断与总线的联系，导致总线上的其余操做不受影响。

CAN总线物理层

（1）总线结构

CAN总线采用双线传输，两根导线分别做为CAN_H、CAN_L，并在终端配备有120Ω的电阻。收到总线信号时，CAN收发器将信号电平转化为逻辑状态，即CAN_H与CAN_L电平相减后，获得一个插值电平。各类干扰（如点火系统）在两根导线上的做用相同，相减后获得的插值电平能够滤过这些干扰。

（2）总线电平

CAN总线有两种逻辑电平状态，即显性与隐性。显性电平表明“0”，隐性电平表明“1”。采用非归零码编码，即在两个相同电平之间并不强制插入一个零状态电平。

高速CAN在传输隐性位时，CAN_H与CAN_L上的电平位均为2.5V；在传输显性位时分别为3.5V与1.5V。

低速CAN在传输隐性状态位时，CAN_H上的电平为0V，CAN_L上的电平位5V。在传输显性状态位时，CAN_H上的电平位3.6V，CAN_L的位1.4V。

为了确保通信的正确性，总线信号必须在必定时间内出如今总线上，而且保证被正确采样。总线信号传输有必定的时间延迟，最大的可靠的总线波特率与总线长度有关。ISO11898中对各类总线长度有着如下定义：

★ 1Mbit/s 总线长度为40m（规范）。

★ 500kbit/s 总线长度最大值为100m（建议值）。

★ 250kbit/s 总线长度最大值为250m。

★ 125kbit/s 总线长度最大值为500m。

★ 40kbit/s 总线长度最大值为1000m。

CAN总线硬件设备

（1）CAN通讯线缆，实现节点的互联，是传输数据的通道。主要有：普通双绞线，同轴电缆，光纤。

（2）CAN驱动/接收器，将信息封装为帧后发送，接收到的帧将其还原为信息、标定并报告节点状态。

（3）CAN控制器，专按协议要求设计制造，经简单总线链接便可实现CAN的所有功能。包括：SJA1000（Philips），82527（Intel）。

（4）CAN微控制器，嵌有部分或所有CAN控制模块及相关接口的通用型微控制器现现在不少芯片都配备CAN接口。

CAN总线基础（下）

CAN报文帧结构

在CAN总线上，报文是以“帧”来发送的，每一帧都包含如下几个部分：

（1）帧起始

在总线空闲时，总线为隐性状态。帧起始由单个显性位构成，标志着报文的开始，并在总线上起着同步做用。

（2）仲裁段

仲裁的主要是定义了报文的标识符，也俗称ID。在CAN2.0A规范中，标识符为11位，而在CAN2.0B中变为了29位。这意味着在2.0B中能够存在更多不一样类型的报文，可是也下降了总线的利用率。

（3）控制段

主要定义了数据域字节的长度。经过数据长度码，接收节点能够判断报文数据是否完整。

（4）数据域

包含有0~8个字节数据。

（5）CRC域

CRC又称循环冗余码效验（Cyclical Redundancy Check），是数据通讯中常见的查错方法。

（6）ACK域

用于接收节点的反馈应答。

（7）帧结束

由一串7个隐性位组成，表示报文帧的结束。

Ps：在CAN总线的开发中，核心的关注点就是CAN报文ID以及其数据域。根据客户的要求，ECU接收本身感兴趣的ID报文的同时，也向外发送别的ECU所须要的ID报文。通常不一样整车厂在开发本身的CAN协议规范的同时，也会有本身的checksum机制，不知足checksum的报文，数据将不会被ECU所接收。

仲裁机制

仲裁是总线应用中一个至关重要的概念，在CAN总线采用载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)技术。若是总线空闲(隐性位)，有报文准备发送，那么每个节点均可以开始发送报文。报文以显性位(报文帧开始位)开始，接着是标识符。若是多个节点同时开始发送报文，那么使用“线与”仲裁机制(仲裁用逻辑“与”)来解决总线冲突，肯定优先级最高的报文，而不须要损失时间或数据(非破坏性仲裁)。仲裁机制使用标识符为判断依据，不只表明报文帧的内容，还表明报文帧发送的优先级。二进制数越小的标识符，优先级越高；反之亦然。

如上图，ECU单元1和ECU单元2同时开始向总线发送数据，开始部分他们的数据格式是同样的，故没法区分优先级，直到T时刻，单元1输出隐性电平，而单元2输出显性电平，此时单元1仲裁失利，马上转入接收状态工做，再也不与单元2竞争，而单元2则顺利得到总线使用权，继续发送本身的数据。

CAN报文帧种类

CAN总线报文传输有如下4种不一样的格式：

（1）数据帧：由发送节点发出，包含0 - 8个数据字节。

（2）远程帧：发送远程帧向网络节点请求发送某一标识符的数据帧。

（3）错误帧：总线节点发现错误时，以错误帧的方式通知网络上的其余节点。

（4）过载帧：发送过载帧，表示当前节点不能处理后续的报文（如帧延迟等）。

Ps：为了保持总线的利用率，在车载总线上数据帧的报文通常均为8字节。

CAN总线错误

CAN总线将错误分为临时性错误和长期性错误。前者主要由外部因素引发，如总线上驱动电压波形不规整、有尖峰或毛刺时，其数据传输性能会受到必定程度的短时间干扰。长期性错误则主要由网络组建非正常情况引发，好比接触不良、线路故障、发送器或接收器失效等。CAN中每一个具备数据通讯能力的网络单元内部都集成有一个发送错误计数器和接受错误计数器，当该单元在数据发送阶段出现一次错误时，其发送错误计数器自加8；在数据接收阶段出现一次错误时，其接收错误计数器自加1。在相应计数器内容非0的状况下，网络单元每成功发送一帧，发送错误计数器自减1；每成功接收一帧，接收错误计数内容本来小于127时自减1，大于127时被置为119 - 127之间任意值。这样，若是某个网络单元的错误计数在不断增加，就说明该单元的数据通讯在频繁发生故障。当计数器内容超过必定阈值时，能够认为该故障是由长期性错误引发的。这种机制保证了当某一个节点出现故障的时候，不会形成总线长时间瘫痪。

一口气从零读懂CAN总线上

概要

上世纪八十年代以来，汽车ECU愈来愈多，如ABS，电控门窗，电子燃油喷射装置。若是仍然采用常规的点对点布线方式，即电线一段与开关相接，另外一端与用电设备相通，将会致使车上电线数目的急剧增长，从而带来线束的冗余及维修成本的提升。这就对汽车的线束分布及信息通信提出了更高的要求。总线技术能够实现信息的实时共享，解决了传统布线方式中线束多，布线难，成本高等问题，CAN（Controller Area Network）总线技术应运而生。

点对点通讯总线通讯

CAN总线是由德国研发和生产汽车电子产品著称的BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准（ISO11519），是国际上应用最普遍的现场总线之一。CAN总线是一种多主控（Multi-Master）的总线系统。传统总线系统如USB或以太网等是在总线控制器的协调下，实现从A节点到B节点大量数据的传输。CAN网络的消息是广播式的，即在同一时刻网络上全部节点侦测的数据是一致的，它是一种基于消息广播模式的串行通讯总线。

CAN总线的不少优势，使得它获得了普遍的应用，如传输速度最高到1Mbps, 通讯距离最远到10km，无损位仲裁机制，多主结构。

CAN总线标准

CAN总线标准之规定了物理层和数据链路层，至于应用层须要用户自定义。不一样的CAN标准仅物理层不一样。物理层和数据链路层：ISO11898；应用层：不一样的应用领域使用不一样的应用层标准。

CAN物理层

CAN拓扑网络

链接在CAN总线上的设备叫作节点设备（CAN Node），CAN网络的拓扑通常为线型。线束最经常使用的是双绞线，线上传输为对称的差分电平信号。下图为CAN总线网络示意图，节点主要包括Host、控制器和收发器。Host常集成有CAN控制器，CAN控制器负责处理协议相关功能，以减轻Host的负担。CAN收发器将控制器链接到传输媒介。一般控制器和总线收发器经过光耦或磁耦隔离，这样即便总线上过压损坏收发器，控制器和Host设备也能够获得保护。

在发送数据时，CAN控制器把要发送的二进制编码经过CAN_Tx线发送到CAN收发器，而后由收发器把这个普通的逻辑电平信号转化成差分信号，经过差分线CAN_High和CAN_Low输出到CAN总线网络。接收数据过程，相反。采用差分信号，能够取得更好的电磁兼容效果。所以，CAN总线物理传输媒介只须要两根线。

高速CAN总线最高信号传输速率为1Mbps，支持最长距离40m。ISO11898-2要求在高速CAN总线两段安装端接电阻RL（端接电阻通常为120Ω，由于电缆的特性阻抗为120 Ω，为了模拟无限远的传输线。）以消除反射。低速CAN最高速度只有125Kbps，因此ISO11898-3没有端接要求。

由于传输距离越大，信号时延也越大，为了保证消息的正确采样，总线上的信号速率相应也要降低。下图是推荐的信号速率与距离的关系。

CAN收发器

CAN总线分高速CAN和低速CAN，收发器也分为高速CAN收发器（1Mbps）和低速CAN收发器（125Kbps）。低速CAN也叫Fault
Tolerance CAN，指的是即便总线上一根线失效，总线依然能够通讯。如同串口中的MAX3232用做电平转换，CAN收发器的做用则是把逻辑信号转换为差分信号。

差分信号

CAN总线采用差分信号传输，一般状况下只须要两根信号线就能够进行正常的通讯。在差分信号中，逻辑0和逻辑1是用两根差分信号线的电压差来表示。当处于逻辑1，CAN_High和CAN_Low的电压差小于0.5V时，称为隐性电平（Recessive）；当处于逻辑0，CAN_High和CAN_Low的电压差大于0.9V，称为显性电平（Dominant）。

高速CAN

低速容错CAN （Fault Tolerance CAN）

CAN总线听从“线与”机制：“显性”位能够覆盖“隐性”位；只有全部节点都发送“隐性”位，总线才处于“隐性” 状态。这种“线与”机制使CAN总线呈现显性优先的特性。

CAN总线链接器

下一部分将介绍CAN总线数据链路层，和CAN总线同步机制。

一口气从零读懂CAN总线下

上一篇文章讲了CAN总线的历史、标准、物理层，如今接着介绍CAN总线数据链路层，和CAN总线同步机制。

CAN数据链路层

在SPI通讯中，片选、时钟信号、数据输入及数据输出这四个信号都有单独的信号线。而CAN使用的是两条差分信号线，只能表达一个信号。简洁的物理层决定了CAN必然要配上一套更为复杂的协议。如何用一个信号通道实现一样甚至更强大的功能，答案就是对数据或操做命令进行打包。

通讯机制

多主机（Multi-Master）

安全敏感的应用（如汽车动力）对通讯系统的可靠性要求很高。将总线可否正常工做归结到单一节点是很是危险的，比较合理的方案是对总线接入的去中心化，即每一个节点都有接入总线的能力。这也是CAN总线采用多主控（Multi-Master）线性拓扑结构的缘由。

在CAN总线上，每一个节点都有往总线上发送消息的能力，而消息的发送没必要听从任何预先设定的时序，通讯是事件驱动的。只有当有新的信息传递时，CAN总线才处于忙碌的状态，这使得节点接入总线速度很是快。CAN总线理论最高数据传输速率为1Mbps，对于异步事件反应迅速，基本对于ms级别的实时应用没有任何问题。

寻址机制

不一样于其它类型的总线，CAN总线不设定节点的地址，而是经过消息的标识符（Identifier）来区别消息。这种机制虽然会增长消息的复杂度（增长标识符），可是节点在此状况下能够无需了解其余节点的情况，而相互间独立工做。在总线上增长节点时仅需关注消息类型，而非系统上其余节点的情况。这种以消息标识符寻址的方式，让总线上增长节点变得更加灵活。

总线访问CSMA/CD+AMP

CAN总线通讯原理可简单描述为多路载波侦听+基于消息优先级的冲突检测和非破坏性的仲裁机制（CSMA/CD+AMP）。CSMA（Carrie
Sense Multiple Access）指的是全部节点必须都等到总线处于空闲状态时才能往总线上发送消息；CD+AMP（Collision
Detection + Arbitration on Message Priority）指的是若是多个节点往总线上发送消息时，具有最高优先级的消息得到总线。

多路载波侦听：网络上全部节点以多点接入的方式链接在同一根总线上，且发送数据是广播式的。网络上各个节点在发送数据前都要检测总线上是否有数据传输：若网络上有数据，暂时不发送数据，等待网络空闲时再发；若网络上无数据，当即发送已经准备好的数据。
冲突检测：节点在发送数据时，要不停的检测发送的数据，肯定是否与其余节点数据发送冲突，若是有冲突，则保证优先级高的报文先发送。
非破坏性仲裁机制：经过ID仲裁，ID数值越小，报文优先级越高。

发送低优先级报文的节点退出仲裁后，在下次总线空闲时自动重发报文。

高优先级的报文不能中断低优先级报文的发送。

报文接收过滤

CAN控制器大多具备根据ID过滤报文的功能，即只接收某些ID的报文。节点对接收到的报文进行过滤：比较消息ID与选择器（Accepter）中和接受过滤相关位是否相同。若是相同，接收；若是不相同，则过滤。

CAN的报文种类及结构

报文的种类

在原始数据段的前面加上传输起始标签、片选（识别）标签、控制标签，在数据的尾段加上CRC校验标签、应答标签和传输结束标签。把这些内容按特定的格式打包好，就能够用一个通道表达各类信号了。各类各样的标签，起到了协同传输的做用。当整个数据包被传输到其余设备时，只要这些设备按格式去解读，就能还原出原始数据。相似这样的数据包就被称为CAN的数据帧。

为了更有效的控制通讯，CAN一共规定了5中类型的帧，帧也称为报文。

数据帧

数据帧在CAN通讯中最主要，也最复杂。数据帧以一个显性位（逻辑0）开始，以7个连续的隐性位（逻辑1）结束。CAN总线的数据帧有标准格式（Standard
Format）和扩展格式（Extended
Format）的区分。

数据帧能够分为七段：

帧起始（SOF）

标识一个数据帧的开始，固定一个显性位。

用于同步，总线空闲期间的任何隐性到显性的跳变都将引发节点进行硬同步。只有总线在空闲期间节点才可以发送SOF。

仲裁段（Arbitration Field）

仲裁段的内容主要为本数据帧的ID信息。数据帧分为标准格式和扩展格式两种，区别就在于ID信息的长度：标准格式的ID为11位；扩展格式为29位。在CAN协议中，ID决定着数据帧发送的优先级，也决定着其余设备是否会接收这个数据帧。

仲裁段除了报文ID外，还有RTR, IDE, SRR位。

控制段

在控制段，r1（reserved1）和r0（reserved0）为保留位，默认设置为显性位。最主要的是DLC（Data Length Code）段，它是用二进制编码表示本报文中的数据段包含多少个字节。DLC段由4位组成，DLC3−DLC0，表示的数字为0-8.

数据段

数据帧的核心内容，有0-8个字节长度，由DLC肯定。

CRC段

为了保证报文的正确传输，CAN的报文包含了一段15位的CRC校验码，一旦接收端计算出的CRC码跟接收到的CRC码不一样，就会向发送端反馈出错信息以及从新发送。CRC部分的计算和出错处理通常由CAN控制器硬件完成，或由软件控制最大重发数。

在CRC校验码以后，有一个CRC界定符，它为隐性位，主要做用是把CRC校验码与后面的ACK段隔开。

ACK段

包含确认位（ACK slot）和界定符（Delimiter,
DEL）。ACK在发送节点发送时，为隐性位。当接收节点正确接收到报文时，对其用显性位覆盖。DEL界定符一样为隐性位，用于隔开。

帧结束段（End-of-Frame, EOF）

帧结束段由发送端发送7个隐性位表示结束。

同步

CAN总线使用位同步的方式来确保通讯时序，以及对总线的电平进行正确采样。

位时序

在讲位时序以前，先介绍几个基本概念。

Time Quantum 时间份额tQ ：CAN控制器工做的最小时间单位，一般对系统时钟分频获得。

波特率：单位时间内（1s）传输的数据位，公式：1/位时间。举个栗子，系统时钟频率36MHz，预分频因子为4，则CAN时钟频率9MHz，则Tq=1/9M。假设一个CAN位包含10个Tq，则一个位周期T=10Tq，从而波特率为1/T=0.9MHz.

为了实现位同步，CAN协议把每一位的时序分解成下图所示的四段。这四段的长度加起来即为一个CAN数据位的长度。一个完整的位由8-25个Tq组成。

同步端（SS，Synchronization Segment）

一个位的输出从同步段开始。若总线的跳变沿被包含在SS段的范围以内，则表示节点与总线的时序同步。节点与总线同步时，采样点采集到的总线电平便可被肯定为该电平的电位。SS段的大小为1Tq.

·传播段（PTS，Propagation Time Segment）

用于补偿信号在网络和节点传播的物理延时时间，是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时总和的两倍。一般1-8Tq

·相位缓冲段1（PBS1， Phase Buffer Segment 1）

主要用于补偿边沿阶段的偏差，其时间长度在从新同步时能够加长。初始大小1-8Tq.

相位缓冲段2（PBS2，Phase Buffer Segment 2）

也是用于补偿边沿阶段的偏差，其时间长度在从新同步时能够缩短。初始大小2-8Tq.

同步

CAN同步分为硬同步和从新同步。

同步规则：

一个位时间内只容许一种同步方式
任何一个“隐性”到“显性”的跳变均可用于同步
硬同步发生在SOF阶段，全部接收节点调整各自当前位的同步段，使其位于发送的SOF位内。
·从新同步发生在一个帧的其余阶段，即当跳变沿落在同步段以外。

硬同步

当总线上出现帧起始信号（SOF，即隐性到显性的边沿）时，其余节点的控制器根据总线上的这个降低沿对本身的位时序进行调整，把该降低沿包含到SS段内。这样根据起始帧来进行的同步称为硬同步。

能够看到在总线出现帧起始信号时，该节点原来的位时序与总线时序不一样步，于是这个状态的采样点采集到的数据是不正确的。因此节点以硬同步的方式调整，把本身的位时序中的SS段平移至总线出现降低沿的部分，得到同步，这时采样点采集到的数据是正确数据。

同步前同步后

从新同步

由于硬同步时只是在有帧起始信号时起做用，没法确保后续一连串的位时序都是同步的，因此CAN引入了从新同步的方式。在检测到总线上的时序与节点使用的时序有相位差时（即总线上的跳变沿不在节点时序的SS段范围），经过延长PBS1段或缩短PBS2段来得到同步，这样的方式称为从新同步。

分两种状况：第一种，节点从总线的边沿跳变中，检测到它的时序比总线的时序相对滞后2个Tq，这是控制器在下一个时序中的PBS1段增长2Tq的时间长度，使得节点与总线时序从新同步。

第二种，节点从总线的边沿跳变中，检测到它的时序相对超前2Tq，这时控制器在前一个位时序中的PBS2段减小2Tq的时间长度，得到同步。

在从新同步的时候，PBS1和PBS2段的容许加长或缩短的时间长度定义为，从新同步补偿宽度（SJW，reSynchronization Jump Width）。这里设置的PBS1和PBS2可以增减的最大时间长度SJW=2Tq，若SJW设置的过小则从新同步的调整速度慢，若太大，则影响传输速率。