汽車CAN總線詳解

CAN（Controller Area Network）總線協(xié)議是由 BOSCH 發(fā)明的一種基于消息廣播模式的串行通信總線，它起初用于實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)ECU之間可靠的通信，后因其簡單實(shí)用可靠等特點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療等其它領(lǐng)域。相比于其它網(wǎng)絡(luò)類型，如局域網(wǎng)（LAN, Local Area Network）、廣域網(wǎng)（WAN, Wide Area Network）和個人網(wǎng)（PAN, Personal Area Network）等，CAN 更加適合應(yīng)用于現(xiàn)場控制領(lǐng)域，因此得名。

CAN總線是一種多主控（Multi-Master）的總線系統(tǒng)，它不同于USB或以太網(wǎng)等傳統(tǒng)總線系統(tǒng)是在總線控制器的協(xié)調(diào)下，實(shí)現(xiàn)A節(jié)點(diǎn)到B節(jié)點(diǎn)大量數(shù)據(jù)的傳輸，CAN網(wǎng)絡(luò)的消息是廣播式的，亦即在同一時刻網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)偵測的數(shù)據(jù)是一致的，因此比較適合傳輸諸如控制、溫度、轉(zhuǎn)速等短消息。

CAN起初由BOSCH提出，后經(jīng)ISO組織確認(rèn)為國際標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)特性差異又分不同子標(biāo)準(zhǔn)。CAN國際標(biāo)準(zhǔn)只涉及到 OSI（開放式通信系統(tǒng)參考模型 ）的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。上層協(xié)議是在CAN標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上定義的應(yīng)用層，市場上有不同的應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)。

發(fā)展歷史

• 1983年，BOSCH開始著手開發(fā)CAN總線；

• 1986年，在SAE會議上，CAN總線正式發(fā)布;

• 1987年，Intel和Philips推出第一款CAN控制器芯片；

• 1991年，奔馳 500E 是世界上第一款基于CAN總線系統(tǒng)的量產(chǎn)車型；

• 1991年，Bosch發(fā)布CAN 2.0標(biāo)準(zhǔn)，分 CAN 2.0A （11位標(biāo)識符）和 CAN 2.0B （29位標(biāo)識符）；

• 1993年，ISO發(fā)布CAN總線標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898），隨后該標(biāo)準(zhǔn)主要有三部分：

•  ISO 11898-1：數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

•   ISO 11898-2：高速CAN總線物理層協(xié)議

•  ISO 11898-3：低速CAN總線物理層協(xié)議

注意：ISO 11898-2和ISO 11898-3物理層協(xié)議不屬于 BOSCH CAN 2.0標(biāo)準(zhǔn)。

• 2012年，BOSCH發(fā)布 CAN FD 1.0 標(biāo)準(zhǔn)（CAN with Flexible Data-Rate），CAN FD定義了在仲裁后確使用不同的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到最高 12Mbps 數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN FD與CAN 2.0協(xié)議兼容，可以與傳統(tǒng)的CAN 2.0設(shè)備共存于同樣的網(wǎng)絡(luò)

標(biāo)準(zhǔn)化

CAN標(biāo)準(zhǔn)分為底層標(biāo)準(zhǔn)（物理層和數(shù)據(jù)鏈路層）和上層標(biāo)準(zhǔn)（應(yīng)用層）兩大類。CAN底層標(biāo)準(zhǔn)主要是 ISO 11898 系列的國際標(biāo)準(zhǔn)，也就是說不同廠商在CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層定義基本相同；而上層標(biāo)準(zhǔn)，涉及到例如流控制、設(shè)備尋址和大數(shù)據(jù)塊傳輸控制等，不同應(yīng)用領(lǐng)域或制造商會有不同的做法，沒有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。

底層標(biāo)準(zhǔn)

CAN底層標(biāo)準(zhǔn)涵蓋OSI模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，底層標(biāo)準(zhǔn)包括：

• ISO 11898-1: 2015 定義CAN總線的數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）和電氣信號標(biāo)準(zhǔn)，描述CAN總線的基本架構(gòu)，定義不同CAN總線設(shè)備在數(shù)據(jù)鏈路層通信方式，詳細(xì)說明邏輯鏈接控制（LLC）和介質(zhì)訪問控制（MAC）子層部分；

•  ISO 11898-2: 2003 定義高速CAN總線（HS-CAN）物理層標(biāo)準(zhǔn)，最高數(shù)據(jù)傳輸速率 1Mbps ，應(yīng)用為兩線平衡式信號（CAN_H, CAN_L），HS CAN是汽車動力和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最為廣泛的物理層協(xié)議；

• ISO 11898-3: 2006 定義低速CAN總線（LS-CAN, Fault-Tolerant CAN）物理層標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸速率在 40Kbps ~ 125Kbps 。Fault-Tolerant是指總線上一根傳輸信號失效時，依靠另外的單根信號也可以通信，LS CAN主要應(yīng)用于汽車車身電控單元之間通信；

• ISO 11898-4: 2004 定義CAN總線中的時間觸發(fā)機(jī)制（Time-Triggered CAN, TTCAN），定義與ISO 11898-1 配合的幀同步實(shí)體，實(shí)現(xiàn)汽車ECU之間基于時間觸發(fā)的通信方式。注意，ISO 11898-1 是基于事件驅(qū)動（Event-Driven）的通信，它對于高負(fù)荷總線上，尤其是低優(yōu)先級的消息會造成較大的延遲，而基于時間觸發(fā)的ISO 11898-4 標(biāo)準(zhǔn)的初衷也正是為解決該問題，確保CAN總線上可靠的消息傳輸；

• ISO 11898-5: 2007 對ISO 11898-2高速CAN總線的補(bǔ)充，并參照ISO 8802-2，定義在總線閑置時的節(jié)電特性；

• ISO 11898-6: 2013 對ISO 11898-2 和 ISO 11898-5 的補(bǔ)充，并參照ISO 8802-2，定義使用可配置的幀實(shí)現(xiàn)選擇性喚醒總線的機(jī)制；

• ISO 16845-1: 2004 定義測試符合ISO 11898-1標(biāo)準(zhǔn)CAN應(yīng)用的方法和條件；

• ISO 16845-2: 2014 定義包括特定功能下可以選擇性喚醒總線的CAN收發(fā)器的測試實(shí)例和測試要求，也稱為CAN總線的一致性測試

CAN總線底層標(biāo)準(zhǔn)與ISO/OSI模型的對應(yīng)關(guān)系，如圖1所示。對于媒體專用接口（Medium Dependent Interface, MDI），沒有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。CiA DS-102 （CiA: CAN in Automation ）僅定義使用專用連接器（DB9），并對PIN定義作出一定規(guī)范。

圖1. CAN總線標(biāo)準(zhǔn)

上層標(biāo)準(zhǔn)

雖然底層標(biāo)準(zhǔn)相同，不同應(yīng)用領(lǐng)域和組織會制定不同的上層標(biāo)準(zhǔn)。有的廠商開發(fā)并推廣其應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)，在某些領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。對于汽車行業(yè)來說，幾乎每家廠商都有自己的CAN上層標(biāo)準(zhǔn)。比較流行的有工業(yè)自動化領(lǐng)域 CiA 的 CANopen ，Rockwell 的 DeviceNet；嵌入式控制領(lǐng)域 Kvaser 的 CAN Kingdom；智能設(shè)備控制 Honeywell 的 SDS；汽車診斷 ISO 14229 定義的 UDS，和中重型汽車CAN總線標(biāo)準(zhǔn) SAE J1939 。如表1示。

 表1. CAN上層標(biāo)準(zhǔn)舉例

總線特點(diǎn)

• 符合OSI開放式通信系統(tǒng)參考模型；

•  兩線式總線結(jié)構(gòu)，電氣信號為差分式；

• 多主控制。在總線空閑時，所有的單元都可開始發(fā)送消息，最先訪問總線的單元可獲得發(fā)送權(quán)；

• 多個單元時開始發(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)；

•  消息報文不包含源地址或者目標(biāo)地址，僅通過標(biāo)識符表明消息功能和優(yōu)先級；

• 基于固定消息格式的廣播式總線系統(tǒng)，短幀結(jié)構(gòu)；

• 事件觸發(fā)型。只有當(dāng)有消息要發(fā)送時，節(jié)點(diǎn)才向總線上廣播消息；

• 可以通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀請求其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；

• 消息數(shù)據(jù)長度 0~8 Byte；

• 錯誤檢測功能。所有節(jié)點(diǎn)均可檢測錯誤，檢測處錯誤的單元會立即通知其它所有單元；

•  發(fā)送消息出錯后，節(jié)點(diǎn)會自動重發(fā)；

•  故障限制。節(jié)點(diǎn)控制器可以判斷錯誤是暫時的數(shù)據(jù)錯誤還是持續(xù)性錯誤，當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯誤時，控制器可將節(jié)點(diǎn)從總線上隔離；

•  通信介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜和光導(dǎo)纖維，一般使用最便宜的雙絞線；

•  理論上，CAN總線用單根信號線就可以通信，但還是配備了第二根導(dǎo)線，第二根導(dǎo)線與第一根導(dǎo)線信號為差分關(guān)系，可以有效抑制電磁干擾；

• 在40米線纜條件下，最高數(shù)據(jù)傳輸速率 1Mbps；

• 總線上可同時連接多個節(jié)點(diǎn)，可連接節(jié)點(diǎn)總數(shù)理論上是沒有限制的，但實(shí)際可連接節(jié)點(diǎn)數(shù)受總線上時間延遲及電氣負(fù)載的限制；

•  未定義標(biāo)準(zhǔn)連接器，但經(jīng)常用9腳 DSUB
   

應(yīng)用

在當(dāng)今汽車應(yīng)用領(lǐng)域，車內(nèi)電控單元（Electrical Control Unit, ECU）可能多達(dá) 70 個，除了引擎控制單元（Engine Control Unit, ECU ）外，還存在傳動控制、安全氣囊、ABS、巡航控制、EPS、音響系統(tǒng)、門窗控制和電池管理等模塊，雖然某些模塊是單一的子系統(tǒng)，但是模塊之間的互連依然非常重要。例如，有的子系統(tǒng)需要控制執(zhí)行器和接收傳感器反饋，CAN總線可以滿足這些子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。汽車?nèi)子模塊的總線互連架構(gòu)使得軟件可以更輕易地實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)和便利等新特性，相比傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中模塊單元直接連接更加經(jīng)濟(jì)。 CAN總線實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)互連系統(tǒng)由傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)互連向總線式系統(tǒng)的進(jìn)化，大大降低汽車內(nèi)電子系統(tǒng)布線的復(fù)雜度，如圖2所示。

圖2. 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) VS 總線式結(jié)構(gòu)

在 VW 的定義（SSP 269）中，根據(jù)應(yīng)用范圍將車內(nèi)CAN總線分為三類：

• Convenience CAN /舒適CAN網(wǎng)絡(luò)，主要控制車門窗、空調(diào)等設(shè)備，最高傳輸速度100 kbps

• Powertrain CAN /動力CAN網(wǎng)絡(luò)，主要控制動力相關(guān)設(shè)備，如發(fā)動機(jī)、制動、ABS等，最高傳輸速度500 kbps

• Infotainment CAN /信息娛樂CAN網(wǎng)絡(luò)，主要控制收音機(jī)、電話和導(dǎo)航等設(shè)備，最高傳輸速度100 kbps

根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速度不同CAN總線分兩類：高速CAN（ISO 11898-2）和低速CAN（ISO 11898-3）。

高速CAN（按BOSCH說法，也叫CAN-C），數(shù)據(jù)速率在 125kbps ~ 1Mbps，應(yīng)用在實(shí)時性要求高的節(jié)點(diǎn)，如引擎管理單元、電子傳動控制、ESP和儀表盤等；低速CAN（CAN-B），數(shù)據(jù)速率在 5kbps ~ 125kbps，應(yīng)用在實(shí)時性要求低的節(jié)點(diǎn)，主要在舒適和娛樂領(lǐng)域，如空調(diào)控制、座椅調(diào)節(jié)、燈光、視鏡調(diào)整等，這些節(jié)點(diǎn)對實(shí)時性要求不高，而且分布較為分散，線纜較易收到損壞，低速CAN的傳輸速度即可滿足要求，而且單根線纜也可以工作，很好地適應(yīng)了以上需求。不同速度類型的CAN總線設(shè)備不能直接連在同一路總線上，它們之間需要通過網(wǎng)關(guān)隔離。

CAN總線在汽車診斷領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛，ECU直接掛載在總線上，可以很快地獲取診斷所需的信息。傳統(tǒng)的汽車診斷接口（如KWP2000）應(yīng)用逐漸減少。

圖2a示意了汽車內(nèi)總線系統(tǒng)及電子設(shè)備的邏輯分布，總線系統(tǒng)包括 CAN、LIN、FlexRay 和 MOST 。注意，車載以太網(wǎng)在圖中未列出，但它的應(yīng)用日漸廣泛。以上不同類型和速度的總線，通過網(wǎng)關(guān) Gateway 模塊相互通信。（圖片來源：鏈接）

 圖2a. 汽車內(nèi)總線系統(tǒng)舉例

局限性

• 由于CAN總線仲裁的特點(diǎn)，即使往總線上周期性發(fā)送消息，也不能保證節(jié)點(diǎn)可以確定（周期） 地收到消息，CAN不適合對時間特別敏感的應(yīng)用；

•  最高傳輸速率只有 1Mbps ，對于汽車自動駕駛應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸，或者視頻音頻傳輸帶寬不足。為解決這方面的需求，CAN FD 速度有所上升，另外還有 MOST、LVDS 和以太網(wǎng)等；

• 對于簡單的應(yīng)用，高成本的CAN總線雖然可靠性很高，但有點(diǎn)浪費(fèi)。LIN 總線相比CAN具有成本優(yōu)勢，更適合應(yīng)用于車窗座椅空調(diào)等設(shè)備
   

電路基礎(chǔ)

硬件拓?fù)?/p>

連接在CAN總線上的設(shè)備叫做節(jié)點(diǎn)設(shè)備（CAN Node），CAN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湟话銥榫€型。線束最常用為非屏蔽雙絞線（UTP），線上傳輸為對稱的電平信號（差分）。圖3示為CAN總線網(wǎng)絡(luò)示意圖，節(jié)點(diǎn)主要包括Host、控制器和收發(fā)器三部分。Host常集成有CAN控制器，CAN控制器負(fù)責(zé)處理協(xié)議相關(guān)功能，以減輕Host的負(fù)擔(dān)。CAN收發(fā)器將控制器連接到傳輸媒介。通?？刂破骱涂偩€收發(fā)器通過光耦或磁耦隔離，這樣即使總線上過壓，損壞收發(fā)器，控制器和Host設(shè)備也可以得到保護(hù)。

 圖3. CAN總線節(jié)點(diǎn)示意圖

高速CAN總線最高信號傳輸速率為1Mbps，支持最長距離 40m。ISO 11898-2 規(guī)定要求在高速CAN總線的兩端安裝端接電阻（RL）以消除反射，而低速CAN最高速度只有 125Kbps，因此 ISO 11898-3 沒有要求端接。ISO 11898 規(guī)定的CAN總線上最多 32 個節(jié)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中要考慮到CAN總線收發(fā)器的性能，以及工作的CAN網(wǎng)絡(luò)是高速CAN還是低速CAN。在傳輸距離方面，由于距離越大，信號時延也越大，為確保消息的正確采樣，總線上的信號速率相應(yīng)也得下降，表2列出推薦的信號速率與距離的關(guān)系。

 表2. CAN總線長度與信號速率關(guān)系（推薦）

收發(fā)器

CAN收發(fā)器包括 CANH 和 CANL 兩根信號，CANH和CANL信號采用差分電平，這樣可以取得更好的電磁兼容效果。CAN總線物理傳輸媒介只需要兩根線。

前面的標(biāo)準(zhǔn)部分有介紹，CAN總線分高速CAN和低速CAN，收發(fā)器因之也分為高速CAN收發(fā)器（1Mbps）和低速CAN收發(fā)器（125Kbps）。低速CAN也叫 Fault Tolerant CAN ，指的是即使總線上一根線失效，總線依然可以通信。圖4示例高速CAN收發(fā)器的基本電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)兩個晶體管都關(guān)斷時，CANH和CANL上電壓相同，且都為 0.5*VCC ；而當(dāng)兩個晶體管都打開時，CANH 和 CANL 上即存在一定的壓差，且壓差與負(fù)載電阻值相關(guān)。ISO 11898-2 要求此時 CANH 和 CANL 壓差在 2V 左右。

CAN收發(fā)器的特性包括非常低的電磁輻射和很強(qiáng)的抗擊共模噪聲的能力。另外，CAN收發(fā)器可以提供高達(dá) 8KV 的ESD保護(hù)，在電路設(shè)計中可以在收發(fā)器附近增加共模電感以進(jìn)一步降低電磁輻射（圖5）。

圖4. CAN總線收發(fā)器（MCP2551）

 圖5. 共模電感降低輻射

信號電平

高速CAN和低速CAN總線在物理層信號電平上定義有所不同。圖6和圖7表示高速和低速CAN總線上信號電平與總線邏輯的對應(yīng)關(guān)系。

高速CAN，定義 CANH 和 CANL 電壓相同（CANH = CANL = 2.5V）時為邏輯“1”，CANH和CANL 電壓相差 2V（CANH = 3.5V, CANL = 1.5V） 時為邏輯“0”。高速CAN收發(fā)器在共模電壓范圍內(nèi)（-12V ~ 12V），將CANH和CANL電壓相差大于 0.9V 解釋為顯性狀態(tài)（Dominant），而將CANH和CANL電壓相差小于 0.5V 解釋為為隱性狀態(tài)（Recessive）。收發(fā)器內(nèi)部有遲滯電路可以降低干擾。

低速CAN，定義CANH和CANL電壓相差 5V （CANH = 0V, CANL = 5V）時為邏輯“1”，相差 2.2V （CANH = 3.6V, CANL = 1.4V）時為邏輯“0”。

在CAN總線上，邏輯“0”和“1”之間顯著的電壓差是總線可靠通信的保證。參照上面的描述，CAN總線上兩種電平狀態(tài)分別為：

顯性（Dominant ）: 0
 隱性（Recessive ）: 1
CAN總線的信號電平具有線與特性，即顯性電平（0）總是會掩蓋隱性電平（1）。如果不同節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送顯性和隱性電平，總線上表現(xiàn)出顯性電平（0），只有在總線上所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送的都是隱性電平（1）時，總線才表現(xiàn)為隱性。線與特性是CAN總線仲裁的電路基礎(chǔ)。詳細(xì)仲裁過程見下文“仲裁機(jī)制”部分。

 圖6. 高速CAN信號電平（ ISO 11898-2）

 圖7. 低速CAN信號電平（ ISO 11898-3）

連接器

在前文有提到，業(yè)界只規(guī)定了9 Pin D-Sub 類型的CAN總線連接器，其信號定義如圖8所示。

 圖8. CAN 9 Pin D-Sub引腳定義

三種CAN標(biāo)準(zhǔn)物理層比較

除了上文介紹的高速CAN和低速CAN外，還有標(biāo)準(zhǔn)定義另外一種CAN物理層結(jié)構(gòu)，即 Single Wire CAN。單線CAN可以減少一根傳輸線，但是要求節(jié)點(diǎn)間有良好的共地特性（相當(dāng)于第二根信號線）。單線CAN的信號抗干擾能力相對較弱，在設(shè)計中需要提高信號幅度以增加信噪比，如此又會讓它自身的輻射能力增加，因此必須降低其信號傳輸速率以達(dá)到電磁兼容的要求。綜上，單線CAN僅適合應(yīng)用在低速的車身電子單元、舒適及娛樂控制領(lǐng)域。低速CAN總線由于信號速度不高，在一根信號線失靈的情況下，仍可工作于單線模式。

三種CAN總線物理層的對比如表3列出?？偩€連接拓?fù)鋱D如圖9，對于端接，高速CAN端接是在總線兩端，而低速CAN和單線CAN的端接都是在各節(jié)點(diǎn)位置。

 表3. 三種CAN物理層標(biāo)準(zhǔn)比較

 圖9. 三種CAN總線物理層的比較

通信原理

Multi-Master

安全敏感的應(yīng)用，比如汽車動力，對通信系統(tǒng)的可靠性要求很高。將總線工作正常與否歸結(jié)到單一節(jié)點(diǎn)是極其危險的，比較合理的方案是對總線接入的去中心化，亦即每個節(jié)點(diǎn)都有接入總線的能力。這也是CAN總線采用多主控（Multi-Master）線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原因。在CAN總線上，每個節(jié)點(diǎn)都有往總線上發(fā)送消息的能力，而且消息的發(fā)送不必遵從任何預(yù)先設(shè)定的時序，通信是事件驅(qū)動的。只有當(dāng)有新的信息傳遞時，CAN總線才處于忙的狀態(tài)，這使得節(jié)點(diǎn)接入總線速度非常快。CAN總線理論最高數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbps，對于異步事件反應(yīng)迅速，基本上對于毫秒級的實(shí)時應(yīng)用沒有任何問題。

尋址機(jī)制

不同于其它類型的總線，CAN總線不設(shè)定節(jié)點(diǎn)的地址，而是通過消息的標(biāo)識符（Identifier）來區(qū)別消息。CAN總線消息是廣播式的，也就是說在同一時刻所有節(jié)點(diǎn)都檢測到同樣的電平信號。接受節(jié)點(diǎn)通過識別消息中的標(biāo)識符，與該節(jié)點(diǎn)預(yù)設(shè)的過濾規(guī)則對比，如果滿足規(guī)則就接收這條消息，發(fā)送應(yīng)答，否則就忽略這條消息，關(guān)于這部分介紹見下文“條件接收”部分。這種機(jī)制雖然會增加消息幀的復(fù)雜度（增加標(biāo)識符），但是節(jié)點(diǎn)在此情況下可以無須了解其它節(jié)點(diǎn)的狀況，而相互間獨(dú)立工作，在總線上增加節(jié)點(diǎn)時僅須關(guān)注消息類型，而非系統(tǒng)上其它節(jié)點(diǎn)的狀況。這種以消息標(biāo)識符尋址的方式，讓在總線上增加節(jié)點(diǎn)變得更加靈活。

CSMA/CD+AMP

CAN總線通信原理可簡單描述為多路載波偵聽+基于消息優(yōu)先級的沖突檢測和仲裁機(jī)制（CSMA/CD+AMP），CSMA（Carrier Sense Multiple Access ）指的所有節(jié)點(diǎn)必須都等到總線處于空閑狀態(tài)時才能往總線上發(fā)送消息；CD+AMP（Collision Detection + Arbitration on Message Priority）指的是如果多個節(jié)點(diǎn)往總線上發(fā)送消息時，具備最高優(yōu)先級（標(biāo)識符最?。┑南@得總線占有權(quán)。

幀分類

CAN總線定義四種幀類型，分別為數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀和過載幀。數(shù)據(jù)幀就是總線上傳輸用戶數(shù)據(jù)的幀，其最高有效載荷是 8 Byte，除了有效載荷外，數(shù)據(jù)幀還包括必要的幀頭幀位部分以執(zhí)行CAN標(biāo)準(zhǔn)通信，比如消息標(biāo)識符（Identifier）、數(shù)據(jù)長度代碼、校驗信息等。遠(yuǎn)程幀是用來向總線上其它節(jié)點(diǎn)請求數(shù)據(jù)的幀，它的幀結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)幀相似，只不過沒有有效載荷部分；錯誤幀是表示通信出錯的幀。數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式兩種格式。標(biāo)準(zhǔn)格式有 11 位的標(biāo)識符 ， 擴(kuò)展格式有 29 位標(biāo)識符。

各種幀的用途分別為：

• 數(shù)據(jù)幀：用于發(fā)送單元向接收單元傳送數(shù)據(jù)的幀；

• 遠(yuǎn)程幀：用于接收單元向具有相同標(biāo)識符的發(fā)送單元請求數(shù)據(jù)的幀；

• 錯誤幀：用于當(dāng)檢測出錯誤時向其它單元通知錯誤的幀；

• 過載幀：用于接收單元通知其尚未做好接收準(zhǔn)備的幀
   

數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)如圖10所示，圖中示例標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀（Standard）和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀（Extended）兩種格式。各字段定義及長度分別為：

• SOF：表示數(shù)據(jù)幀開始；（1 bit）

• Identifier：標(biāo)準(zhǔn)格式11 bit，擴(kuò)展格式29 bit包括Base Identifier（11 bit）和Extended Identifier（18 bit），該區(qū)段標(biāo)識數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級，數(shù)值越小，優(yōu)先級越高；

• RTR：遠(yuǎn)程傳輸請求位，0時表示為數(shù)據(jù)幀，1表示為遠(yuǎn)程幀，也就是說RTR=1時，消息幀的Data Field為空；（1 bit）

• IDE： 標(biāo)識符擴(kuò)展位，0時表示為標(biāo)準(zhǔn)格式，1表示為擴(kuò)展格式；（1 bit）

• DLC：數(shù)據(jù)長度代碼，0~8表示數(shù)據(jù)長度為0~8 Byte；（4 bit）

• Data Field：數(shù)據(jù)域；（0~8 Byte）

• CRC Sequence：校驗域，校驗算法G(x) = x15 + x14 + x10 + x8 + x7 + x4 + x3 + 1；（15 bit）

• DEL：校驗域和應(yīng)答域的隱性界定符；（1 bit）

• ACK：應(yīng)答，確認(rèn)數(shù)據(jù)是否正常接收，所謂正常接收是指不含填充錯誤、格式錯誤、 CRC 錯誤。發(fā)送節(jié)點(diǎn)將此位為1，接收節(jié)點(diǎn)正常接收數(shù)據(jù)后將此位置為0；（1 bit）

• SRR：替代遠(yuǎn)程請求位，在擴(kuò)展格式中占位用，必須為1；（1 bit）

• EOF：連續(xù)7個隱性位（1）表示幀結(jié)束；（7 bit）

• ITM：幀間空間，Intermission (ITM)，又稱Interframe Space (IFS)，連續(xù)3個隱性位，但它不屬于數(shù)據(jù)幀。幀間空間是用于將數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀與前面的幀分離開來的幀。數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀可通過插入幀間空間將本幀與前面的任何幀（數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯誤幀、過載幀）分開。過載幀和錯誤幀前不能插入幀間空間。

圖10. CAN標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的數(shù)據(jù)幀/遠(yuǎn)程幀格式

遠(yuǎn)程幀

一般地，數(shù)據(jù)是由發(fā)送單元主動向總線上發(fā)送的，但也存在接收單元主動向發(fā)送單元請求數(shù)據(jù)的情況。遠(yuǎn)程幀的作用就在于此，它是接收單元向發(fā)送單元請求發(fā)送數(shù)據(jù)的幀。遠(yuǎn)程幀與數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)類似，如上圖X所示。遠(yuǎn)程幀與數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)區(qū)別有兩點(diǎn)：

• 數(shù)據(jù)幀的 RTR 值為“0”，遠(yuǎn)程幀的 RTR 值為“1”

• 遠(yuǎn)程幀沒有數(shù)據(jù)塊

遠(yuǎn)程幀的 DLC 塊表示請求發(fā)送單元發(fā)送的數(shù)據(jù)長度（Byte）。當(dāng)總線上具有相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時發(fā)送時，由于數(shù)據(jù)幀的 RTR 位是顯性的，數(shù)據(jù)幀將在仲裁中贏得總線控制權(quán)。

錯誤幀

用于在接收和發(fā)送消息時檢測出錯誤時，通知錯誤的幀。錯誤幀由錯誤標(biāo)志和錯誤界定符構(gòu)成。錯誤幀的幀結(jié)構(gòu)如圖11示。

• 錯誤標(biāo)志：6-12 個顯性/隱性重疊位

• 主動錯誤標(biāo)志（6個顯性位）： 處于主動錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標(biāo)志

• 被動錯誤標(biāo)志（6個隱性位）： 處于被動錯誤狀態(tài)的單元檢測出錯誤時輸出的錯誤標(biāo)志

• 錯誤界定符：8 個隱性位

圖11. 錯誤幀的幀結(jié)構(gòu)

過載幀

過載幀是用于接收單元通知發(fā)送單元它尚未完成接收準(zhǔn)備的幀。在兩種情況下，節(jié)點(diǎn)會發(fā)送過載幀：

• 接收單元條件的制約，要求發(fā)送節(jié)點(diǎn)延緩下一個數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的傳輸；

• 幀間空間（Intermission）的 3 bit 內(nèi)檢測到顯性位

每個節(jié)點(diǎn)最多連續(xù)發(fā)送兩條過載幀。過載幀由過載標(biāo)志和過載界定符（8 個隱性位）構(gòu)成。數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)如圖12所示。

 圖12. 過載幀的幀結(jié)構(gòu)

仲裁機(jī)制

如果多個節(jié)點(diǎn)同時往總線上發(fā)送消息，總線的使用權(quán)是通過消息幀標(biāo)識符的逐位仲裁機(jī)制決定的，在仲裁過程中消息是不會丟失的。這里的不會丟失的意思是指仲裁完成后，獲得總線控制權(quán)的消息內(nèi)容沒有被仲裁過程篡改，將繼續(xù)在總線上發(fā)送沒有傳輸完的消息。
在CAN總線上，標(biāo)識符值越小，消息的優(yōu)先級越高。標(biāo)識符全零的消息，由于它將總線電平保持在顯性的時間最長，因此優(yōu)先級最高。CAN總線的仲裁機(jī)制如圖13所示，幾點(diǎn)說明：

• Wire-AND Bus Logic：只有節(jié)點(diǎn)發(fā)送的全是隱性，總線電平才表現(xiàn)為隱性；

• Arbitration Logic：所有發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，也檢測總線上的電平狀態(tài)。如果總線電平狀態(tài)與它發(fā)送的電平狀態(tài)一致，則繼續(xù)發(fā)送（Next）；如果發(fā)送為顯性，總線電平狀態(tài)為隱性，則傳輸出現(xiàn)故障（Fault）；如果發(fā)送為隱性，總線電平狀態(tài)為顯性，則該節(jié)點(diǎn)退出對總線占用權(quán)的競爭（Stop）；

• 節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C同時向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，在仲裁階段，逐位對比總線上電平與自身發(fā)送的電平，在標(biāo)識符的第四位（ID7），節(jié)點(diǎn)C檢測到總線上電平與其自身發(fā)送電平不一致，它自動退出對總線的競爭，節(jié)點(diǎn)A則繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)

 圖13. CAN總線仲裁機(jī)制

如上介紹，CAN總線上的逐位仲裁機(jī)制與 I2C 總線的仲裁都應(yīng)用到線與邏輯的電路基礎(chǔ)，不同的是I2C的仲裁只是在主機(jī)間進(jìn)行，而CAN總線沒有主從機(jī)的概念。另外I2C的消息本身是不分優(yōu)先級的；CAN消息則是帶優(yōu)先級，有的消息出身高貴（標(biāo)識符值越?。?，在仲裁中總會取勝。

為消息劃分優(yōu)先級比較適合于實(shí)時控制系統(tǒng)，這樣可以確保重要的信息優(yōu)先發(fā)送，相對次要的消息延遲發(fā)送，系統(tǒng)設(shè)計師應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用的特點(diǎn)為不同消息確定不同的優(yōu)先級（標(biāo)識符），在類似 DeviceNet 這些規(guī)范組織的定義中，對于同樣類型的消息，比如溫度傳感器，即使它們可能來自不同的供應(yīng)商，但消息標(biāo)識符是一致的。

對于車身控制CAN網(wǎng)絡(luò)（舒適+信息娛樂），其特點(diǎn)是消息標(biāo)識符種類多，而且消息發(fā)送沒有固定頻率或規(guī)律，在此類應(yīng)用的CAN控制器，例如 Freescale 的 MSCAN（Motorola Scalable Controller Area Network）的設(shè)計中，控制器內(nèi)部包括 FIFO 寄存器，它將具有相同標(biāo)識符的消息按順序保存，從而避免接收緩沖器溢出。而對于動力系統(tǒng)控制的CAN網(wǎng)絡(luò)，總線上的消息特點(diǎn)是速度快，但是存在一定規(guī)律，此類應(yīng)用的CAN控制器，例如 Freescale 的 FlexCAN（CAN 2.0B-Compliant），它包括 16 ~ 64 個稱為“mailbox”的接收緩沖器，運(yùn)行時根據(jù)特定的過濾規(guī)則，將不同標(biāo)識符的消息送到各自對應(yīng)的 mailbox 。

條件接收

前面有提到消息在CAN總線上是廣播式的，但并不是所有節(jié)點(diǎn)都會對總線上所有消息感興趣。節(jié)點(diǎn)通過控制器中過濾碼（Filter Code ）和掩碼（Mask Code），再檢驗總線上消息的標(biāo)識符，來判斷是否接收該消息（Message Filtering）。

對于掩碼，“1”表示該位與本節(jié)點(diǎn)相關(guān)，“0”表示該位與本節(jié)點(diǎn)不相關(guān)。舉例如下：

例1：僅接收消息標(biāo)識符為00001567（十六進(jìn)制）的幀

• 設(shè)置過濾碼為00001567

• 設(shè)置掩碼為1FFFFFFF

節(jié)點(diǎn)檢測消息的標(biāo)識符的所有位（29位），如果標(biāo)識符為00001567接收，否則舍棄。

例2：接收消息標(biāo)識符為00001567 到 0000156F 的幀

• 設(shè)置過濾碼為00001560

• 設(shè)置掩碼為1FFFFFF0

節(jié)點(diǎn)檢測消息的標(biāo)識符的高25位，最低的4位則不care。如果標(biāo)識符最高25位相同則接收，否則舍棄。

例3：接收消息標(biāo)識符為00001560 到 00001567 的幀

• 設(shè)置過濾碼為00001560

• 設(shè)置掩碼為1FFFFFF8

節(jié)點(diǎn)檢測消息的標(biāo)識符的高26位，最低的3位則不care。如果標(biāo)識符最高26位相同則接收，否則舍棄。

例4：接收所有消息幀幀

• 設(shè)置過濾碼為0

• 設(shè)置掩碼為0

節(jié)點(diǎn)接收總線上所有消息。

應(yīng)答機(jī)制

應(yīng)答位（ACK）用來表示節(jié)點(diǎn)已經(jīng)收到有效的幀。任何節(jié)點(diǎn)如果準(zhǔn)確無誤地接收到幀，則要向總線上發(fā)送顯性位，該顯性位將掩蓋發(fā)送節(jié)點(diǎn)輸出的隱性位，使總線上表現(xiàn)為顯性。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)檢測應(yīng)答位為隱性，那么說明沒有節(jié)點(diǎn)收到有效幀。接收節(jié)點(diǎn)可能在應(yīng)答位輸出隱性表示它沒有收到有效幀，但另外有收到有效幀的節(jié)點(diǎn)也可能輸出顯性表示它收到有效幀，這樣總線上總體上表現(xiàn)為顯性，發(fā)送節(jié)點(diǎn)也無從得知是否總線上所有節(jié)點(diǎn)都收到有效的幀。

位填充

CAN總線使用到的是非歸零編碼（NRZ），NRZ編碼的優(yōu)點(diǎn)是效率高，但卻不易區(qū)分哪里是bit開始，哪里是bit結(jié)束。因此為確保在同步通信過程中有足夠的電平跳變，規(guī)范中應(yīng)用到位填充機(jī)制，即在每連續(xù) 5 個相同電平后插入 1個反相電平，接收節(jié)點(diǎn)在收到消息后自動將填充位刪除。在幀內(nèi)除了CRC界定符、ACK域和EOF外，其余部分均應(yīng)用到位填充機(jī)制。在應(yīng)用到位填充的域，檢測到連續(xù) 6 個顯性位或隱性位均視為報錯。檢測到錯誤后，節(jié)點(diǎn)將發(fā)出主動錯誤標(biāo)志。注意如前文述，主動錯誤標(biāo)志為連續(xù)6個顯性位，它是不符合位填充規(guī)則的，因此檢測到該電平的所有節(jié)點(diǎn)都會報錯。
位填充意味著實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀長度可能更長，圖14示例位填充前后的數(shù)據(jù)幀的變化，紫色位是位填充增加的位，接收節(jié)點(diǎn)收到消息后會自動刪除這些位。

圖14. 數(shù)據(jù)幀在位填充前后的比較

錯誤檢驗

完善的錯誤校驗機(jī)制是CAN總線高可靠性的有效保證。CAN總線包括 5 種錯誤校驗機(jī)制，其中 3 種在消息層面（Message Level），2 種在比特層面（Bit Level） 。如果消息出現(xiàn)五種錯誤中的任何一種，接收節(jié)點(diǎn)將不接收消息，并且產(chǎn)生錯誤幀通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送消息，直到接收節(jié)點(diǎn)正確地收到消息。如果失效的節(jié)點(diǎn)持續(xù)不斷地報錯，導(dǎo)致總線掛死，那么在報錯次數(shù)達(dá)到設(shè)定的上限時，它將被控制器從總線上移除（詳見“故障限制”部分）。
消息層面的錯誤校驗機(jī)制體現(xiàn)在數(shù)據(jù)幀（圖10）中的 CRC 校驗域和 ACK 域。CRC校驗域包括傳輸數(shù)據(jù)的 15 bit Checksum值和 1 bit 界定符。ACK域包括 1 bit ACK位和 1 bit 界定符。消息層面的校驗還包括格式錯誤校驗，格式錯誤校驗會檢查消息幀中必須為隱性的位，如果這些位表現(xiàn)為顯性，那么節(jié)點(diǎn)將報格式錯誤。格式錯誤檢查的隱性位包括SOF、EOF、ACK界定符和CRC界定符。
在比特層面，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送消息的同時會檢測總線電平，如果檢測到總線的狀態(tài)和它發(fā)送的狀態(tài)不符，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)將報錯。該過程的兩處例外是消息幀處于標(biāo)識符仲裁階段和消息應(yīng)答階段。
最后一種錯誤校驗機(jī)制源于CAN總線的位填充機(jī)制。除了錯誤標(biāo)志和EOF，如果節(jié)點(diǎn)檢測到連續(xù) 6 個相同電平，它即報填充錯誤。主動錯誤標(biāo)志包括連續(xù)6個顯性位，總線上所有檢測到主動錯誤標(biāo)志的節(jié)點(diǎn)都會報錯，而產(chǎn)生各自的錯誤幀，這意味著總線上的錯誤幀可能由原先的 6 bit 到反饋疊加至 12 bit 不等。錯誤幀后面緊接著8個隱性位界定符（如圖10）。在總線空閑時，消息通過競爭仲裁獲得總線占用權(quán)后將重新傳送。

綜上，CAN總線的錯誤類型包括以下五種：

• CRC錯誤（CRC Error）

在發(fā)送消息時，發(fā)送節(jié)點(diǎn)會根據(jù)特定的多項式計算出由數(shù)據(jù)幀SOF位到數(shù)據(jù)域最末位的Checksum值，并將該值放在數(shù)據(jù)幀的CRC域，隨著數(shù)據(jù)幀廣播到總線上。接收節(jié)點(diǎn)在收到數(shù)據(jù)后，應(yīng)用同樣的多項式計算Checksum值，并與收到的Checksum值對比。如果兩者一致，正常接收；如果不一致，則舍棄該消息，并發(fā)送錯誤幀請求發(fā)送節(jié)點(diǎn)重傳消息。CRC校驗過程如圖15所示。

CAN 2.0 規(guī)范定義CRC校驗應(yīng)用的多項式為：

 圖15. CRC校驗機(jī)制

• 應(yīng)答錯誤（ACK Error）

發(fā)送單元在ACK位中檢測到隱性電平時所檢測到的錯誤（ACK沒被傳送過來時所檢測到的錯誤）。

• 格式錯誤（Form Error）

檢測出與固定格式的位段相反的格式時所檢測到的錯誤。

• 位錯誤（Bit Error）

比較輸出電平和總線電平（不含填充位），當(dāng)兩電平不一樣時所檢測到的錯誤。

• 填充錯誤（Stuff Error）

在需要位填充的段內(nèi)，連續(xù)檢測到 6 位相同的電平時所檢測到的錯誤。

故障限制

CAN總線上的每個節(jié)點(diǎn)控制器都會檢測消息是否出錯，如果節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)消息出錯，它將發(fā)送錯誤標(biāo)志，從而打斷總線上正常的數(shù)據(jù)傳輸?？偩€上其它沒有發(fā)現(xiàn)原始消息錯誤的節(jié)點(diǎn)，在收到錯誤標(biāo)志后將采取必要的措施，比如舍棄當(dāng)前總線上的消息。CAN節(jié)點(diǎn)內(nèi)部有兩種錯誤狀態(tài)計數(shù)器 TEC 和 REC 。節(jié)點(diǎn)通過特定的規(guī)則管理這兩個計數(shù)器的值，其中：

• TEC /Transmit Error Counter，發(fā)送錯誤狀態(tài)計數(shù)器，出現(xiàn)一次錯誤該計數(shù)器值 +8；

• REC /Receive Error Counter，接收錯誤狀態(tài)計數(shù)器，出現(xiàn)一次錯誤該計數(shù)器值 +1；

• 消息成功發(fā)送或接收一次，對應(yīng)的 TEC 或 REC 值相應(yīng) -1

TEC 增加的速度快于 REC 增加的速度，這是因為有很大概率地是發(fā)送節(jié)點(diǎn)，而不是接受節(jié)點(diǎn)出錯！基于 TEC 和 REC數(shù)值的變化，CAN規(guī)范定義了節(jié)點(diǎn)的 3 種基本錯誤狀態(tài)：

• Error Active：正常狀態(tài)，在此狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送所有類型的幀，包括錯誤幀；

•  Error Passive：節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送除錯誤幀以外的所有幀；

• Bus Off：節(jié)點(diǎn)被控制器從總線上隔離

節(jié)點(diǎn)的三種錯誤狀態(tài)切換關(guān)系如圖16所示。

 圖16. CAN總線節(jié)點(diǎn)錯誤狀態(tài)切換圖

波形舉例

圖17示例CAN通信過程信號波形。在 1 時刻，節(jié)點(diǎn)A向總線上發(fā)送消息；在 2 時刻，節(jié)點(diǎn)B和C收到消息，發(fā)送響應(yīng)應(yīng)答；在 3 時刻，節(jié)點(diǎn)B和C同時向總線上發(fā)送消息，競爭仲裁后節(jié)點(diǎn)C獲得總線占用權(quán)，在 4 時刻繼續(xù)發(fā)送未傳輸完畢的數(shù)據(jù)；節(jié)點(diǎn)A和B在 5 時刻響應(yīng)C發(fā)送的消息；在總線空閑的 6 時刻，B發(fā)送消息到總線上；在 7 時刻節(jié)點(diǎn)A和B響應(yīng)節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的消息；在 8 時刻，節(jié)點(diǎn)A向空閑總線上發(fā)送消息。

 圖17. CAN通信過程舉例