一. CAN是什么？

CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是一種多主方式的串行通訊總線，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。

二. CAN的起源

在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過多個 LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的 CAN 通信協(xié)議。此后，CAN 通過 ISO11898 及 ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，同時它具有很高的可靠性，被廣泛應(yīng)用于：汽車電子、工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。

三. CAN的物理層

CAN總線是一種分布式的控制總線，它的網(wǎng)絡(luò)由很多CAN節(jié)點構(gòu)成，每個節(jié)點均由一個MCU（微控制器）、一個CAN控制器和一個CAN收發(fā)器構(gòu)成，然后使用雙絞線連接到CAN網(wǎng)絡(luò)中。另外，在CAN總線的起止端都有一個120Ω的終端電阻，用來做阻抗匹配，以減少回波反射。
其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示：

CAN 控制器是根據(jù)CAN_L和CAN_H上的電位差（即差分信號的形式）來判斷總線電平。總線總線電平分為顯性電平（對應(yīng)邏輯0，電位差為2V左右）和隱性電平（對應(yīng)邏輯1，電位差為0V），二者必居其一。發(fā)送方通過使總線電平發(fā)生跳變，將消息發(fā)送給接收方。

顯性電平和隱性電平
總線上的電平有顯性電平和隱性電平兩種。
顯性電平的邏輯值為“0”，隱性電平為“1”。
“顯性”具有“優(yōu)先”的意味，只要有一個單元輸出顯性電平，總線上即為顯性電平。并且，“隱性”具有“包容”的意味，只有所有的單元都輸出隱性電平，總線上才為隱性電平（顯性電平比隱性電平更強(qiáng)）。

四. CAN的特點

CAN 協(xié)議具有以下特點。
(1) 多主控制（I2C有主從機(jī)之分，CAN無所謂主機(jī)從機(jī)）
在總線空閑時，所有的單元都可開始發(fā)送消息（多主控制）。
“最先”訪問總線的單元可獲得發(fā)送權(quán)（不管后面消息的優(yōu)先級是否比自身的高）。
多個單元“同時”開始發(fā)送時，發(fā)送高優(yōu)先級 ID 消息的單元可獲得發(fā)送權(quán)（只在同時發(fā)送時起作用）。
(2) 消息的發(fā)送（對比I2C是根據(jù)地址進(jìn)行訪問，這里ID非地址，而是一種表征優(yōu)先級的標(biāo)識符）
在 CAN 協(xié)議中，所有的消息都以固定的格式發(fā)送。當(dāng)兩個以上的單元同時開始發(fā)送消息時，根據(jù)ID (標(biāo)識符) 決定優(yōu)先級，對各消息 ID 的每個位進(jìn)行逐個仲裁比較。仲裁獲勝（被判定為優(yōu)先級最高）的單元可繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失利的單元則立刻停止發(fā)送而進(jìn)行接收工作，此處這里ID非地址，而是一種表征優(yōu)先級的標(biāo)識符。
(3) 系統(tǒng)的柔軟性（對比I2C總線上的每個單元都有一個獨立的地址）
與總線相連的單元沒有類似于“地址”的信息。因此在總線上增加單元時，連接在總線上的其它單元的都不需要改變。
(4) 通信速度（波特率）
由CAN的物理層就可以看出，CAN是一種異步通信方式，所以通信前必須統(tǒng)一好同一網(wǎng)絡(luò)上每個單元的波特率，即使有一個單元的通信速度與其它的不一樣，此單元也會輸出錯誤信號，妨礙整個網(wǎng)絡(luò)的通信。不同網(wǎng)絡(luò)間則可以有不同的通信速度。
(5) 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求
可通過發(fā)送“遙控幀” 請求其他單元發(fā)送數(shù)據(jù)。
(6) 錯誤檢測功能·錯誤通知功能·錯誤恢復(fù)功能
所有的單元都可以檢測錯誤（錯誤檢測功能）。
檢測出錯誤的單元會立即同時通知其他所有單元（錯誤通知功能）。
正在發(fā)送消息的單元一旦檢測出錯誤，會強(qiáng)制結(jié)束當(dāng)前的發(fā)送。強(qiáng)制結(jié)束發(fā)送的單元會不斷反復(fù)地重新發(fā)送此消息直到成功發(fā)送為止（錯誤恢復(fù)功能）。
(7) 故障封閉
CAN 可以判斷出錯誤的類型是總線上暫時的數(shù)據(jù)錯誤（如外部噪聲等）還是持續(xù)的數(shù)據(jù)錯誤（如單元內(nèi)部故障、驅(qū)動器故障、斷線等）。由此功能，當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯誤時，可將引起此故障的單元從總線上隔離出去。
(8) 連接
CAN 總線可連接的單元總數(shù)理論上是沒有限制的。但實際上可連接的單元數(shù)受總線上的時間延遲及電氣負(fù)載的限制。

五. CAN的協(xié)議層

幀的種類
通信是通過以下 5 種類型的幀進(jìn)行的：

其中，數(shù)據(jù)幀和遙控幀有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式兩種格式。
標(biāo)準(zhǔn)格式有11 個位的標(biāo)識符（ID），擴(kuò)展格式有29 個位的ID 。

數(shù)據(jù)幀
數(shù)據(jù)幀由 7 個段構(gòu)成，包括：
（1）幀起始。表示數(shù)據(jù)幀開始的段。
（2）仲裁段。表示該幀優(yōu)先級的段。
（3）控制段。表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)及保留位的段。
（4）數(shù)據(jù)段。數(shù)據(jù)的內(nèi)容，一幀可發(fā)送0~8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。
（5）CRC段。檢查幀的傳輸錯誤的段。
（6）ACK段。表示確認(rèn)正常接收的段。
（7）幀結(jié)束。表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束的段。

(1) 幀起始（標(biāo)準(zhǔn)、擴(kuò)展格式相同）
表示幀開始的段。1 個位的顯性位（邏輯0）。

(2) 仲裁段（構(gòu)成ID）
表示數(shù)據(jù)的優(yōu)先級的段。標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式在此的構(gòu)成有所不同，如圖：

*1 ID
從MSB開始，禁止高7位都為隱性，即不能：ID=1111111XXXX。
*2 RTR
遠(yuǎn)程請求位。0，數(shù)據(jù)幀；1， 遙控幀；
*3 SRR
替代遠(yuǎn)程請求位。設(shè)置為1（隱性電平）；
*4 IDE
標(biāo)識符選擇位。0，標(biāo)準(zhǔn)幀；1，擴(kuò)展幀；

(3) 控制段
控制段由 6 個位構(gòu)成，表示數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的構(gòu)成有所不同。

*1 保留位（r0、r1）
保留位必須全部以顯性電平發(fā)送。但接收方可以接收顯性、隱性及其任意組合的電平。
*2 數(shù)據(jù)長度碼（DLC）
數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)必須為 0～8 字節(jié)。但接收方對 DLC = 9～15 的情況并不視為錯誤。
*3 IDE
標(biāo)識符選擇位。0，標(biāo)準(zhǔn)幀；1，擴(kuò)展幀；

(4) 數(shù)據(jù)段
數(shù)據(jù)段可包含 0～8 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。從 MSB（最高位）開始輸出。

(5) CRC 段
CRC 段是檢查幀傳輸錯誤的幀。由 15 個位的 CRC 順序和 1 個位的 CRC 界定符（用于與ACK段區(qū)別開來）構(gòu)成。

*1 CRC的值計算范圍包括：幀起始、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段。
*2 接收方以同樣的算法計算 CRC 值并進(jìn)行比較，不一致時會通報錯誤。

(6) ACK 段
ACK 段用來確認(rèn)是否正常接收。由 ACK 槽(ACK Slot)和 ACK 界定符 2 個位構(gòu)成。
*1 發(fā)送單元的 ACK 段
發(fā)送單元在 ACK 段發(fā)送 2 個位的隱性位。
*2 接收單元的 ACK 段
接收到正確消息的單元在 ACK 槽(ACK Slot)發(fā)送顯性位，通知發(fā)送單元正常接收結(jié)束。這稱作“發(fā) 送 ACK”或者“返回 ACK”。

(7)，幀結(jié)束。由7個位的隱性位組成。標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀在這個段格式完全一樣。

遙控幀
接收單元向發(fā)送單元請求發(fā)送數(shù)據(jù)所用的幀。遙控幀由 6 個段組成。遙控幀沒有數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段。
遙控幀的構(gòu)成如圖 24 所示。
(1) 幀起始（SOF）
表示幀開始的段。
(2) 仲裁段
表示該幀優(yōu)先級的段。可請求具有相同 ID 的數(shù)據(jù)幀。
(3) 控制段
表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)及保留位的段。
(4) CRC 段
檢查幀的傳輸錯誤的段。
(5) ACK 段
表示確認(rèn)正常接收的段。
(6) 幀結(jié)束
表示遙控幀結(jié)束的段。

遙控幀和數(shù)據(jù)幀的區(qū)別
? 數(shù)據(jù)幀和遙控幀的不同
? 遙控幀的 RTR 位為隱性位，沒有數(shù)據(jù)段。
? 沒有數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)幀和遙控幀可通過 RTR 位區(qū)別開來。
? 遙控幀沒有數(shù)據(jù)段，數(shù)據(jù)長度碼該如何表示？
? 遙控幀的數(shù)據(jù)長度碼以所請求數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度碼表示。
? 沒有數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)幀有何用途？
? 例如，可用于各單元的定期連接確認(rèn)/應(yīng)答、或仲裁段本身帶有實質(zhì)性信息的情況下。

其他的幀比較簡單，這里不做介紹。
優(yōu)先級的決定
在總線空閑態(tài)，最先開始發(fā)送消息的單元獲得發(fā)送權(quán)。
多個單元同時開始發(fā)送時，各發(fā)送單元從仲裁段的第一位開始進(jìn)行仲裁。連續(xù)輸出顯性電平最多的單元可繼
續(xù)發(fā)送。
仲裁的過程如圖 28 所示。

位時序
幀是以位為單位的，由發(fā)送單元在非同步的情況下發(fā)送的每秒鐘的位數(shù)稱為位速率（波特率）。一個位可分為 4 段，分別是：
? 同步段（SS）
? 傳播時間段（PTS）
? 相位緩沖段 1（PBS1）
? 相位緩沖段 2（PBS2）
這些段又由可稱為 Time Quantum（以下稱為 Tq）的最小時間單位構(gòu)成。
也就是說，1 位分為 4 個段，每個段又由若干個 Tq 構(gòu)成，這稱為位時序。
1 位由多少個 Tq 構(gòu)成、每個段又由多少個 Tq 構(gòu)成等，可以任意設(shè)定位時序。通過設(shè)定位時序，多個單元可同時采樣，也可任意設(shè)定采樣點。
各段的作用和 Tq 數(shù)如下：

簡要來說就是：
*1 同步段用來同步發(fā)送單元與接受單元的發(fā)送和接受的工作。
*2 傳播時間段：屬于一些硬件誤差，無需理會。
*3 相位緩沖段：
舉個例子：有兩個單片機(jī)之間進(jìn)行CAN通信，但是由于它們各自以獨立的時鐘進(jìn)行工作，晶振可能存在偏差，導(dǎo)致時鐘存在細(xì)微的誤差，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)較多時，這個誤差會被逐漸放大，導(dǎo)致整個時序混亂，無法同步，這在汽車工業(yè)上是不允許的。
*4 再同步補(bǔ)償寬度：其實就是一個由數(shù)個Tq組成的一個段，用來對同步誤差進(jìn)行補(bǔ)償，下面對如何補(bǔ)償進(jìn)行闡述。

再同步
在接收過程中檢測出總線上的電平變化時進(jìn)行的同步調(diào)整。
每當(dāng)檢測出邊沿時，根據(jù) SJW 值通過加長 PBS1 段，或縮短 PBS2 段，以調(diào)整同步。但如果發(fā)生了超出 SJW值的誤差時，最大調(diào)整量不能超過 SJW 值。再同步如圖 34 所示。

總結(jié)

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