CAN基礎(chǔ)知識

什么是CAN 

       CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初，CAN被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動機管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置。
      一個由CAN 總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上可以掛接無數(shù)個節(jié)點。實際應(yīng)用中，節(jié)點數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。例如，當使用Philips P82C250作為CAN收發(fā)器時，同一網(wǎng)絡(luò)中允許掛接110個節(jié)點。CAN 可提供高達1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤檢定特性也增強了CAN的抗電磁干擾能力。
CAN 是怎樣發(fā)展起來的？
      CAN最初出現(xiàn)在80年代末的汽車工業(yè)中，由德國Bosch公司最先提出。當時，由于消費者對于汽車功能的要求越來越多，而這些功能的實現(xiàn)大多是基于電子操作的，這就使得電子裝置之間的通訊越來越復(fù)雜，同時意味著需要更多的連接信號線。提出CAN總線的最初動機就是為了解決現(xiàn)代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通訊，減少不斷增加的信號線。于是，他們設(shè)計了一個單一的網(wǎng)絡(luò)總線，所有的外圍器件可以被掛接在該總線上。1993年，CAN 已成為國際標準ISO11898(高速應(yīng)用)和ISO11519（低速應(yīng)用）。
     CAN是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10Km時，CAN 仍可提供高達50Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。
     由于CAN總線具有很高的實時性能，因此，CAN已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、安全防護等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

CAN是怎樣工作的？
     CAN通訊協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式。CAN層的定義與開放系統(tǒng)互連模型（OSI）一致。每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通訊。實際的通訊發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過模型物理層的物理介質(zhì)互連。CAN的規(guī)范定義了模型的最下面兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。下表中展示了OSI開放式互連模型的各層。應(yīng)用層協(xié)議可以由CAN用戶定義成適合特別工業(yè)領(lǐng)域的任何方案。已在工業(yè)控制和制造業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的標準是DeviceNet，這是為PLC和智能傳感器設(shè)計的。在汽車工業(yè)，許多制造商都應(yīng)用他們自己的標準。

表1 OSI開放系統(tǒng)互連模型
7  應(yīng)用層   最高層。用戶、軟件、網(wǎng)絡(luò)終端等之間用來進行信息交換。如：DeviceNet
6 表示層    將兩個應(yīng)用不同數(shù)據(jù)格式的系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)化為能共同理解的格式
5 會話層    依靠低層的通信功能來進行數(shù)據(jù)的有效傳遞。
4 傳輸層    兩通訊節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸控制。操作如：數(shù)據(jù)重發(fā)，數(shù)據(jù)錯誤修復(fù)
3 網(wǎng)絡(luò)層    規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)連接的建立、維持和拆除的協(xié)議。如：路由和尋址
2 數(shù)據(jù)鏈路層  規(guī)定了在介質(zhì)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的排列和組織。如：數(shù)據(jù)校驗和幀結(jié)構(gòu)
1 物理層    規(guī)定通訊介質(zhì)的物理特性。如：電氣特性和信號交換的解釋
CAN能夠使用多種物理介質(zhì)，例如雙絞線、光纖等。最常用的就是雙絞線。信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時均是2.5V左右，此時狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為“顯形”，此時，通常電壓值為：CAN_H = 3.5V 和CAN_L = 1.5V 。

CAN 有哪些特性？
CAN具有十分優(yōu)越的特點，使人們樂于選擇。這些特性包括：
􀁺 低成本
􀁺 極高的總線利用率
􀁺 很遠的數(shù)據(jù)傳輸距離(長達10Km)
􀁺 高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達1Mbit/s）
􀁺 可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文
􀁺 可靠的錯誤處理和檢錯機制
􀁺 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)
􀁺 節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能
􀁺 報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息

Philips制造的CAN芯片有哪些？

表2 CAN芯片一覽表

什么是CSMA/CD ?
CSMA/CD是“載波偵聽多路訪問/沖突檢測”（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect）的縮寫。
利用CSMA訪問總線，可對總線上信號進行檢測，只有當總線處于空閑狀態(tài)時，才允許發(fā)送。利用這種方法，可以允許多個節(jié)點掛接到同一網(wǎng)絡(luò)上。當檢測到一個沖突位時，所有節(jié)點重新回到‘監(jiān)聽’總線狀態(tài)，直到該沖突時間過后，才開始發(fā)送。在總線超載的情況下，這種技術(shù)可能會造成發(fā)送信號經(jīng)過許多延遲。為了避免發(fā)送時延，可利用CSMA/CD方式訪問總線。當總線上有兩個節(jié)點同時進行發(fā)送時，必須通過“無損的逐位仲裁”方法來使有最高優(yōu)先權(quán)的的報文優(yōu)先發(fā)送。在CAN總線上發(fā)送的每一條報文都具有唯一的一個11位或29位數(shù)字的ID。CAN總線狀態(tài)取決于二進制數(shù)‘0’而不是‘1’，所以ID號越小，則該報文擁有越高的優(yōu)先權(quán)。因此一個為全‘0’標志符的報文具有總線上的最高級優(yōu)先權(quán)。可用另外的方法來解釋：在消息沖突的位置，第一個節(jié)點發(fā)送0而另外的節(jié)點發(fā)送1，那么發(fā)送0的節(jié)點將取得總線的控制權(quán)，并且能夠成功的發(fā)送出它的信息。

CAN的高層協(xié)議
CAN的高層協(xié)議（也可理解為應(yīng)用層協(xié)議）是一種在現(xiàn)有的底層協(xié)議（物理層和數(shù)據(jù)鏈路層）之上實現(xiàn)的協(xié)議。高層協(xié)議是在CAN規(guī)范的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的應(yīng)用層。許多系統(tǒng)（像汽車工業(yè)）中，可以特別制定一個合適的應(yīng)用層，但對于許多的行業(yè)來說，這種方法是不經(jīng)濟的。一些組織已經(jīng)研究并開放了應(yīng)用層標準，以使系統(tǒng)的綜合應(yīng)用變得十分容易。
一些可使用的CAN高層協(xié)議有：
制定組織 主要高層協(xié)議
CiA CAL協(xié)議
CiA CANOpen協(xié)議
ODVA DeviceNet 協(xié)議
Honeywell SDS 協(xié)議
Kvaser CANKingdom協(xié)議

什么是標準格式CAN和擴展格式CAN?
標準CAN的標志符長度是11位，而擴展格式CAN的標志符長度可達29位。CAN 協(xié)議的2.0A版本規(guī)定CAN控制器必須有一個11位的標志符。同時，在2.0B版本中規(guī)定，CAN控制器的標志符長度可以是11位或29位。遵循CAN2.0B協(xié)議的CAN控制器可以發(fā)送和接收11位標識符的標準格式報文或29位標識符的擴展格式報文。如果禁止CAN2.0B,則CAN 控制器只能發(fā)送和接收11位標識符的標準格式報文，而忽略擴展格式的報文結(jié)構(gòu)，但不會出現(xiàn)錯誤。目前，Philips公司主要推廣的CAN獨立控制器均支持CAN2.0B協(xié)議，即支持29位標識符的擴展格式報文結(jié)構(gòu)。