CAN 是Controller Area Network 的縮寫（以下稱爲CAN），是ISO國際標準化的串行通信協議。CAN屬於現場總線的範疇,它是一種有效支持分佈式控制或實時控制的串行通信網絡。較之目前許多RS-485基於R線構建的分佈式控制系統而言, 基於CAN總線的分佈式控制系統在以下方面具有明顯的優越性：
首先,CAN控制器工作於多主方式,網絡中的各節點都可根據總線訪問優先權(取決於報文標識符)採用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據,且CAN協議廢除了站地址編碼,而代之以對通信數據進行編碼,這可使不同的節點同時接收到相同的數據,這些特點使得CAN總線構成的網絡各節點之間的數據通信實時性強,並且容易構成冗餘結構,提高系統的可靠性和系統的靈活性。而利用RS-485只能構成主從式結構系統,通信方式也只能以主站輪詢的方式進行,系統的實時性、可靠性較差;
其次,CAN總線通過CAN收發器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連,而CANH端的狀態只能是高電平或懸浮狀態,CANL端只能是低電平或懸浮狀態。這就保證不會出現象在RS-485網絡中,當系統有錯誤,出現多節點同時向總線發送數據時,導致總線呈現短路,從而損壞某些節點的現象。而且CAN節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能,以使總線上其他節點的操作不受影響,從而保證不會出現象在網絡中,因個別節點出現問題,使得總線處於“死鎖”狀態。而且,CAN具有的完善的通信協議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現,從而大大降低系統開發難度,縮短了開發週期,這些是隻僅僅有電氣協議的RS-485所無法比擬的。
另外,與其它現場總線比較而言,CAN總線是具有通信速率高、容易實現、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現場總線。這些也是目前CAN總線應用於衆多領域,具有強勁的市場競爭力的重要原因。
CAN 即控制器局域網絡,屬於工業現場總線的範疇。與一般的通信總線相比,CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由於其良好的性能及獨特的設計,CAN總線越來越受到人們的重視。它在汽車領域上的應用是最廣泛的,世界上一些著名的汽車製造廠商,如BENZ(奔馳)、BMW(寶馬)、PORSCHE(保時捷)、ROLLS-ROYCE(勞斯萊斯)和JAGUAR(美洲豹)等都採用了CAN總線來實現汽車內部控制系統與各檢測和執行機構間的數據通信。同時,由於CAN總線本身的特點,其應用範圍目前已不再侷限於汽車行業,而向自動控制、航空航天、航海、過程工業、機械工業、紡織機械、農用機械、機器人、數控機牀、醫療器械及傳感器等領域發展。CAN已經形成國際標準,並已被公認爲幾種最有前途的現場總線之一。其典型的應用協議有： SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。
2. CAN總線技術介紹
2.1 位仲裁
要對數據進行實時處理,就必須將數據快速傳送,這就要求數據的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發送數據時,要求快速地進行總線分配。實時處理通過網絡交換的緊急數據有較大的不同。一個快速變化的物理量,如汽車引擎負載,將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數據並要求更短的延時。
CAN總線以報文爲單位進行數據傳送,報文的優先級結合在11位標識符中,具有最低二進制數的標識符有最高的優先級。這種優先級一旦在系統設計時被確立後就不能再被更改。總線讀取中的衝突可通過位仲裁解決。如圖2所示,當幾個站同時發送報文時,站1的報文標識符爲011111;站2的報文標識符爲0100110;站3的報文標識符爲0100111。所有標識符都有相同的兩位01,直到第3位進行比較時,站1的報文被丟掉,因爲它的第3位爲高,而其它兩個站的報文第3位爲低。站2和站3報文的4、5、6位相同,直到第7位時,站3的報文才被丟失。注意,總線中的信號持續跟蹤最後獲得總線讀取權的站的報文。在此例中,站2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優點在於,在網絡最終確定哪一個站的報文被傳送以前,報文的起始部分已經在網絡上傳送了。所有未獲得總線讀取權的站都成爲具有最高優先權報文的接收站,並且不會在總線再次空閒前發送報文。
CAN具有較高的效率是因爲總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用,這些請求是根據報文在整個系統中的重要性按順序處理的。這種方法在網絡負載較重時有很多優點,因爲總線讀取的優先級已被按順序放在每個報文中了,這可以保證在實時系統中較低的個體隱伏時間。
對於主站的可靠性,由於CAN協議執行非集中化總線控制,所有主要通信,包括總線讀取 (許可)控制,在系統中分幾次完成。這是實現有較高可靠性的通信系統的唯一方法。
2.2 CAN與其它通信方案的比較
在實踐中,有兩種重要的總線分配方法:按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中 ,不管每個節點是否申請總線,都對每個節點按最大期間分配。由此,總線可被分配給每個站並且是唯一的站,而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。這將保證在總線存取時有明確的總線分配。在第二種方法中,總線按傳送數據的基本要求分配給一個站 ,總線系統按站希望的傳送分配(如:Ethernet CSMA/CD)。因此,當多個站同時請求總線存取時,總線將終止所有站的請求,這時將不會有任何一個站獲得總線分配。爲了分配總線,多於一個總線存取是必要的。
CAN實現總線分配的方法,可保證當不同的站申請總線存取時,明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發送數據時產生的碰撞問題。不同於Ethernet網絡的消息仲裁,CAN的非破壞性解決總線存取衝突的方法,確保在不傳送有用消息時總線不被佔用。甚至當總線在重負載情況下,以消息內容爲優先的總線存取也被證明是一種有效的系統。雖然總線的傳輸能力不足,所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在CSMA/CD這樣的網絡中,如Ethernet,系統往往由於過載而崩潰,而這種情況在CAN中不會發生。
2.3 CAN的報文格式
在總線中傳送的報文,每幀由7部分組成。CAN協議支持兩種報文格式,其唯一的不同是標識符(ID)長度不同,標準格式爲11位,擴展格式爲29位。在標準格式中,報文的起始位稱爲幀起始(SOF),然後是由11位標識符和遠程發送請求位 (RTR)組成的仲裁場。RTR位標明是數據幀還是請求幀,在請求幀中沒有數據字節。控制場包括標識符擴展位(IDE),指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro),爲將來擴展使用。它的最後四個字節用來指明數據場中數據的長度(DLC)。數據場範圍爲0～8個字節,其後有一個檢測數據錯誤的循環冗餘檢查(CRC)。應答場(ACK)包括應答位和應答分隔符。發送站發送的這兩位均爲隱性電平(邏輯1),這時正確接收報文的接收站發送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法,發送站可以保證網絡中至少有一個站能正確接收到報文。報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位,如果這時沒有站進行總線存取,總線將處於空閒狀態。
2.4 數據錯誤檢測
不同於其它總線,CAN協議不能使用應答信息。事實上,它可以將發生的任何錯誤用信號發出。CAN協議可使用五種檢查錯誤的方法,其中前三種爲基於報文內容檢查。
2.4.1 循環冗餘檢查(CRC)
在一幀報文中加入冗餘檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。
2.4.2 幀檢查
這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性,用於檢查格式上的錯誤。
2.4.3.應答錯誤
如前所述,被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發送站未收到應答,那麼表明接收站發現幀中有錯誤,也就是說,ACK場已損壞或網絡中的報文無站接收。CAN協議也可通過位檢查的方法探測錯誤。
2.4.4 總線檢測
有時,CAN中的一個節點可監測自己發出的信號。因此,發送報文的站可以觀測總線電平並探測發送位和接收位的差異。
2.4.5 位填充
一幀報文中的每一位都由不歸零碼錶示,可保證位編碼的最大效率。然而,如果在一幀報文中有太多相同電平的位,就有可能失去同步。爲保證同步,同步沿用位填充產生在五個連續相等位後,發送站自動插入一個與之互補的補碼位;接收時,這個填充位被自動丟掉。例如,五個連續的低電平位後,CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6個相同位,CAN就知道發生了錯誤。
如果至少有一個站通過以上方法探測到一個或多個錯誤,它將發送出錯標誌終止當前的發送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文,並保證網絡上報文的一致性。當大量發送數據被終止後,發送站會自動地重新發送數據。作爲規則,在探測到錯誤後23個位週期內重新開始發送。在特殊場合,系統的恢復時間爲31個位週期。但這種方法存在一個問題,即一個發生錯誤的站將導致所有數據被終止,其中也包括正確的數據。因此,如果不採取自監測措施,總線系統應採用模塊化設計。爲此,CAN協議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統計評估來確定一個站本身的錯誤並進入一種不會對其它站產生不良影響的運行方法來實現,即站可以通過關閉自己來阻止正常數據因被錯誤地當成不正確的數據而被終止。
1 CAN總線電平邏輯
CAN中的總線數值爲2種互補邏輯數之一：“顯性”或“隱性”。“顯性”（Dominant）數值表示邏輯“0”，而“隱性”（Recessive）數值表示邏輯“1”。總線位原理圖如圖1所示。“顯性”和“隱性”位同時發送時，最後總線數值爲“顯性”，在“隱性”狀態下，VCAN-H和VCAN-L被固定於平均電壓電平，Vdiff近似爲0。
在總線空閒或“隱性”位期間，發送“隱性”狀態。“顯性”狀態以大於最小閾值的差分電壓表示。如圖2所示。在“顯性”位期間，“顯性”狀態改寫“隱性”狀態併發送。
2 CAN總線的通信協議
CAN系統中，數據在節點間接收和發送是以4種不同類型的幀出現和控制的，其中：數據幀將數據由發送器傳至接收器；遠程幀由節點發送，以請求發送具有相同標識的數據幀；出錯幀可由任何節點發送，以檢測總線錯誤，而超載幀用於提供先前和後續數據幀或遠程幀之間的附加延時。另外，數據幀和遠程幀以幀間空間同先前幀隔開。
（1）數據幀
一個數據幀由7個不同位場構成，他們是：幀起始（SOF-Start Of Frame)、仲裁場、控制場（2 b保留位＋DLC場）、數據場、CRC場、ACK場和幀結束（EOF-End Of Frame)。如圖3所示。
幀起始（SOF）標誌數據幀和遠程幀的起始，他由單個“顯性”位構成。只有當總線空閒狀態時，才允許節點開始發送，所有節點必須同步於首先開始發送節點幀起始引起的上升沿。
仲裁場由11 b標識符（ID）和RTR（Remote26Transmission Request）位構成。11 bID可形成2 048種信息目標（CAN2．0A標準），而且ID值越小，信息優先級越高。在數據幀中，RTR位數值爲“0”，表明數據幀優先於遠程幀。
控制場由6 b構成，包括2 b用於未來DLC擴展的保留位。接收器接收“0”和“1”位作爲所有組合中的保留位。在定義保留位功能前，發送器只送“0”位。
數據場由數據幀內被髮送數據組成，他包括0～8 B，每個字節包括8 b。
CRC場包括15 b CRC序列和1 b CRC界定符。用於幀校驗的CRC序列由特別適用於位數小於127 b幀的循環冗餘碼校驗（BCH碼）驅動。爲實現CRC計算，被除的多項式被定義爲這樣一個多項式，其係數由幀起始、仲裁場、控制場、數據場（如果存在）和15 b最低係數爲0組成的解除填充的位流給定。此多項式被下列生成多項式：
除（係數按模-2計算）該多項式相除的餘數即爲發至總線的CRC序列。
ACK場爲2 b：ACK隙和ACK界定符。發送節點的ACK場中，送出2個“隱性”位。在ACK隙內，所有接收到匹配CRC序列的節點，以“顯性”位改寫發送器的“隱性”位，因此，ACK隙被2個“隱性”位（ACK界定符和CRC界定符）所包圍。
幀結束：每個數據幀和遠程幀均由7個“隱性”位構成的標誌序列界定。
（2）遠程幀
激活數據接收器的節點可以通過發送一個遠程幀啓動源節點發送各自的數據。一個遠程幀由6個不同位場構成：幀起始（SOF）、仲裁場、控制場（2 b保留位＋DLC場）、CRC場、ACK場和幀結束（EOF）。如圖4所示。
除遠程幀中RTR位爲“1”外，其餘位場與數據幀的相應位場相同。
（3）出錯幀
出錯幀由出錯標誌和出錯界定符2個場組成。錯誤幀監測CAN控制器的出錯狀態及出錯類型，做爲檢測出錯條件的信號。
（4）超載幀
超載幀由超載標誌和超載界定符組成。當接收器線路在接收下一個幀前需要更多的時間處理當前數 據，亦即接收器未準備好，或在間歇場期間檢測出顯性位時將發送超載幀。
CAN總線基於以下5條基本規則進行組織：
①總線訪問 CAN控制器只能在總線空閒狀態期間開始發送。所有CAN控制器同步於幀起始的前沿（硬同步）。
②仲裁 若有2個或更多的CAN控制器同時發送，總線訪問衝突通過仲裁場發送期間位仲裁處理方法予以解決。仲裁期間，每個進行發送的CAN控制器都將發送位電平與監控總線電平進行比較。任何發送一個隱性位而監視到一個顯性位電平的CAN控制器立即變爲總線上較高優先權報文的接收器，而不致破壞總線上的任何信息。每段報文中的標識符和RTR隱含地定義了該報主席的總線訪問優先權。
③編碼／解碼 幀起始、仲裁場、控制場、數據場和CRC序列使用位填充技術進行編碼。其餘的位場和幀具有固定的形式，不使用位填充方法進行編碼和解碼。報文中的位流按照NRZ（Non Return to Zero）方法進行編碼，亦即位週期期間位電平維持恆定，或者隱性電平，或者顯性電平。
④出錯標註 當檢測到位錯誤時、填充出錯、形式錯誤或應答錯誤時，檢測出錯條件的CAN控制器將發送一個出錯標誌。出錯標誌將破壞位填充或損壞固定形式的位場。位填充法則的破壞將影響檢測出錯條件的任何CAN控制器。這些器件也將發送出錯標誌。
⑤超載標註 一些CAN控制器發送一個或多個超載幀以延遲下一個數據幀或遠程幀的發送。
1. CAN總線有如下基本特點：
◎ 廢除傳統的站地址編碼，代之以對通信數據塊進行編碼，可以多主方式工作；
◎ 採用非破壞性仲裁技術，當兩個節點同時向網絡上傳送數據時，優先級低的節點主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響繼續傳輸數據，有效避免了總線衝突；
◎ 採用短幀結構，每一幀的有效字節數爲8個，數據傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發送的時間短；
◎ 每幀數據都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數據傳輸的高可靠性，適於在高干擾環境下使用；
◎ 節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯繫，以使總線上其他操作不受影響；
◎ 可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接受數據。
◎ CAN直接通訊距離最遠可達10 km（傳輸率爲5kb／s），通訊速率最高可達1 Mb／s（傳輸距離爲40m），CAN總線上結點可達110個。通訊介質採用雙絞線、同軸電纜或光導纖維。
◎ CAN總線用戶接口簡單，編程方便，很容易構成用戶系統。