1、第第4 4章章 CAN CAN 總總 線線 CAN CAN（Controller Area NetworkController Area Network）即控制器局域網，可以）即控制器局域網，可以歸屬于工業現場總線的范疇，通常稱為歸屬于工業現場總線的范疇，通常稱為CAN busCAN bus，即，即CANCAN總線，總線，是目前國際上應用最廣泛的開放式現場總線之一。是目前國際上應用最廣泛的開放式現場總線之一。 與一般的通信總線相比，與一般的通信總線相比，CANCAN總線的數據通信具有突出的可總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，它在汽車領域上的應用最為廣泛，世靠性、實時性和靈活性，它

2、在汽車領域上的應用最為廣泛，世界上一些著名的汽車制造廠商，如界上一些著名的汽車制造廠商，如BENZ(BENZ(奔馳奔馳) )、BMW(BMW(寶馬寶馬) )、v volkswagen (olkswagen (大眾大眾) )等都采用了等都采用了CANCAN總線來實現汽車內部控制系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。統與各檢測和執行機構間的數據通信。 同時，由于同時，由于CANCAN總線的特點，其應用范圍目前已不僅局限總線的特點，其應用范圍目前已不僅局限于汽車行業，已經在自動控制、航空航天、航海、過程工業、于汽車行業，已經在自動控制、航空航天、航海、過程工業、機械工業、紡織機

3、械、農用機械、機器人、數控機床、醫療器機械工業、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器等領域中得到了廣泛應用。械及傳感器等領域中得到了廣泛應用。 第1頁/共113頁4.1 4.1 概述概述4.1.1 4.1.1 CANCAN工作原理、特點工作原理、特點4.1.2 4.1.2 發展背景及應用情況發展背景及應用情況4.1.3 4.1.3 一個典型的工程實例一個典型的工程實例第2頁/共113頁4.14.1概述概述 CAN CAN 最初出現在汽車工業中，8080年代由德國BoschBosch公司最先提出。最初動機是為了解決現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。1

4、9931993年CAN CAN 成為國際標準ISO11898(ISO11898(高速應用) )和ISO11519ISO11519（低速應用）。 由于其良好的性能及獨特的設計，CANCAN總線越來越受到人們的重視。隨著應用領域的增多，CANCAN的規范從CAN CAN 1.2 1.2 規范( (標準格式) )發展為兼容CAN 1.2 CAN 1.2 規范的CAN2.0CAN2.0規范(CAN2.0A(CAN2.0A為標準格式，CAN2.0BCAN2.0B為擴展格式) )，目前應用的CANCAN器件大多符合CAN2.0CAN2.0規范。 第3頁/共113頁4.1.1 CAN的工作原理、特點的工作原

5、理、特點1 1 CAN CAN 的工作原理的工作原理 當當CAN CAN 總線上的一個節點總線上的一個節點( (站站) )發送數據時，它以報文形發送數據時，它以報文形式廣播給網絡中所有節點。對每個節點來說，無論數據是否式廣播給網絡中所有節點。對每個節點來說，無論數據是否是發給自己的，都對其進行接收。每組報文開頭的是發給自己的，都對其進行接收。每組報文開頭的1111位字符位字符為標識符為標識符(CAN2.0A)(CAN2.0A)，定義了報文的優先級，這種報文格式稱，定義了報文的優先級，這種報文格式稱為面向內容的編址方案。在同一系統中標識符是唯一的，不為面向內容的編址方案。在同一系統中標識符是唯一

6、的，不可能有兩個節點發送具有相同標識符的報文。當一個節點要可能有兩個節點發送具有相同標識符的報文。當一個節點要向其它節點發送數據時，該節點的向其它節點發送數據時，該節點的CPU CPU 將要發送的數據和自將要發送的數據和自己的標識符傳送給本節點的己的標識符傳送給本節點的CANCAN芯片，并處于準備狀態；當芯片，并處于準備狀態；當它它收到總線分配時，轉為發送報文狀態。收到總線分配時，轉為發送報文狀態。第4頁/共113頁 CAN CAN 芯片將數據根據協議組織成一定的報文格式發出，這時 網上的其它節點處于接收狀態。 每個處于接收狀態的節點對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發給自己的，以確定

7、是否接收它。 由于CAN CAN 總線是一種面向內容的編址方案，因此很容易建立高水準的控制系統并靈活地進行配置。我們可以很容易地在CAN CAN 總線中加進一些新節點而無需在硬件或軟件上進行修改。當所提供的新節點是純數據接收設備時，數據傳輸協議不要求獨立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化，即總線上控制器需要測量數據時，可由網上獲得，而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。第5頁/共113頁2 2 CANCAN總線特點總線特點 CAN CAN總線是一種串行數據通信協議，通信介質可以是總線是一種串行數據通信協議，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。最大通訊距離可達雙絞線、同軸電纜或光導

8、纖維。最大通訊距離可達10km10km，最大通信速率可達最大通信速率可達1Mbps1Mbps。CANCAN總線通信接口中集成了總線通信接口中集成了CANCAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗、優先幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗、優先級判別等項工作。級判別等項工作。 CANCAN總線特點如下：總線特點如下：（1 1）可以多主方式工作，網絡上任意一個節點均可以在可以多主方式工作，網絡上任意一個節點均可以在任意時刻主動地向網絡上的其他節點發送信息，而不分主任意時刻主動地向網絡

9、上的其他節點發送信息，而不分主從，通信方式靈活。利用這一特點也可方便地構成多機備從，通信方式靈活。利用這一特點也可方便地構成多機備份系統。份系統。第6頁/共113頁 （2 2）網絡上的節點（信息）可分成不同的優先級可以滿網絡上的節點（信息）可分成不同的優先級可以滿足不同的實時要求。足不同的實時要求。 （3 3）CANCAN總線采用非破壞性位仲裁總線結構機制，當兩總線采用非破壞性位仲裁總線結構機制，當兩個節點同時向網絡上傳送信息時，優先級低的節點主動停個節點同時向網絡上傳送信息時，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地繼續傳輸數止數據發送，而優先級高的節點可不受影響地繼續傳

10、輸數據，大大節省了總線沖突裁決時間；最重要的是在網絡負據，大大節省了總線沖突裁決時間；最重要的是在網絡負載很重的情況下，也不會出現網絡癱瘓的情況（以太網則載很重的情況下，也不會出現網絡癱瘓的情況（以太網則可能）。可能）。 （4 4）可以點對點、一點對多點（成組）及全局廣播幾種可以點對點、一點對多點（成組）及全局廣播幾種傳送方式接收數據。傳送方式接收數據。 （5 5）直接通信距離最遠可達直接通信距離最遠可達10km10km（速率（速率5Kbps5Kbps以下）。以下）。第7頁/共113頁 （6 6）通信速率最高可達1MB/s1MB/s（此時距離最長40m40m）。 （7 7）節點數實際可達110

11、110個。 （8 8）采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8 8個，這樣傳輸時間短，受干擾的概率低，且具有極好的檢錯效果。可滿足通常工業領域中控制命令、工作狀態及測試數據的一般要求。 （9 9）每幀信息都有CRCCRC校驗及其他檢錯措施，保證了數據出錯率極低。 （1010）通信介質可采用雙絞線，同軸電纜和光導纖維，一般采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求。 （1111）節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯系，以使總線上的其他操作不受影響。第8頁/共113頁 CANCAN總線協議已被國際標準化組織認證，技術比較成熟，總線協議已被國際標準化組織認證，技術比較成熟，控制的芯片已

12、經商品化，性價比高，特別適用于分布式測控控制的芯片已經商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統之間的數據通訊。系統之間的數據通訊。 CAN CAN 控制器工作于多主方式，網絡中的各節點都可根據控制器工作于多主方式，網絡中的各節點都可根據總線訪問優先權總線訪問優先權( (取決于報文標識符取決于報文標識符) )采用無損結構的逐位仲采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據，且裁的方式競爭向總線發送數據，且CAN CAN 協議廢除了節點地址協議廢除了節點地址編碼，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，這些特點使得時

13、接收到相同的數據，這些特點使得CAN CAN 總線構成的網絡各總線構成的網絡各節點之間的數據通信實時性強，并且容易構成冗余結構，提節點之間的數據通信實時性強，并且容易構成冗余結構，提高系統的可靠性和系統的靈活性。而利用高系統的可靠性和系統的靈活性。而利用RS-485 RS-485 只能構成主只能構成主從式結構系統，通信方式也只能以主節點輪詢的方式進行，從式結構系統，通信方式也只能以主節點輪詢的方式進行，系統的實時性、可靠性較差；系統的實時性、可靠性較差； CAN CAN 總線通過總線通過CAN CAN 控制器接口芯片兩個輸出端的電平狀控制器接口芯片兩個輸出端的電平狀態，可以保證不會出現象在態，

14、可以保證不會出現象在RS-485RS-485網絡中，當系統有錯誤，網絡中，當系統有錯誤，第9頁/共113頁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 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，使得總線處于“死鎖”狀態。 CAN CAN 具有的完善的通信協議可由CAN 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，縮短了開發周期，這些是只僅僅有電氣協議的RS-485 RS-485 所無法比擬的。另外，與其它現場總線比較而言，CAN CAN 總線是

15、具有通信速率高、容易實現、低成本、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 CAN 總線應用于眾多領域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。第10頁/共113頁4.1.2發展背景及應用情況發展背景及應用情況 1. CAN 1. CAN（控制器局域網）的起源（控制器局域網）的起源 19861986年年2 2月，德國月，德國Robert Bosch Robert Bosch 公司介紹了一種新型的公司介紹了一種新型的串行總線串行總線CANCAN控制器局域網。在此之前還沒有一種現成的控制器局域網。在此之前還沒有一種現成的網絡方案能夠完全滿足汽車工程師們增加新功能、減少電氣連網

16、絡方案能夠完全滿足汽車工程師們增加新功能、減少電氣連接線，使其能夠用于產品，而非用于驅動技術的要求。接線，使其能夠用于產品，而非用于驅動技術的要求。 19871987年中期，年中期，IntelIntel交付了首枚交付了首枚CANCAN控制器控制器8252682526，這是，這是CANCAN方案首次通過硬件加以實現。不久之后，方案首次通過硬件加以實現。不久之后，Philips Philips 半導體推出半導體推出了了82C20082C200。由于這兩枚最先的。由于這兩枚最先的CANCAN控制器在性能上各有千秋，控制器在性能上各有千秋，因此形成因此形成PhilipsPhilips主推的主推的Bas

17、icCAN BasicCAN 和和IntelIntel主推的主推的FullCAN FullCAN 兩兩大陣營。今天的大陣營。今天的CANCAN控制器中，在同一模塊中的驗收濾波和報控制器中，在同一模塊中的驗收濾波和報文控制方面仍有相當的不同。文控制方面仍有相當的不同。 第11頁/共113頁 今天，在歐洲幾乎每一輛新客車均裝配有今天，在歐洲幾乎每一輛新客車均裝配有CANCAN局域網。局域網。同樣，同樣，CANCAN也用于其他類型的交通工具，甚至工業控制等領也用于其他類型的交通工具，甚至工業控制等領域也被大量使用。域也被大量使用。CANCAN已經成為全球范圍內最重要的總線之已經成為全球范圍內最重要的

18、總線之一。一。20002000年，全球市場銷售超過年，全球市場銷售超過1 1億個億個CANCAN器件。器件。 標準化與一致性標準化與一致性 19901990年，年，Bosch CAN Bosch CAN 規范（規范（CAN 2.0CAN 2.0版）被提交給國際版）被提交給國際標準化組織，于標準化組織，于19931993年年1111月出版了月出版了CANCAN的國際標準的國際標準ISO11898ISO11898，除了除了CANCAN協議外，它也規定了最高至協議外，它也規定了最高至1Mbps1Mbps波特率時的物理層。波特率時的物理層。同時，在國際標準同時，在國際標準ISO11519-2ISO11

19、519-2中也規定了中也規定了CANCAN數據傳輸中的數據傳輸中的容錯方法。容錯方法。19951995年，國際標準年，國際標準ISO11898ISO11898進行了擴展，以附錄進行了擴展，以附錄的形式說明了的形式說明了2929位位CANCAN標識符。當前，修訂的標識符。當前，修訂的CANCAN規范正在標規范正在標準化中。準化中。ISO11898-1ISO11898-1稱為稱為“CANCAN數據鏈路層數據鏈路層”，ISO11898-2ISO11898-2稱為稱為“非容錯非容錯CANCAN物理層物理層”，ISO11898-3ISO11898-3稱為稱為“容錯容錯CANCAN物理物理層層”。國際標準

20、。國際標準ISO11992ISO11992（卡車和拖車接口）和（卡車和拖車接口）和第12頁/共113頁ISO11783（農業和（農業和森林機械）都在美國標準森林機械）都在美國標準J1939J1939的基礎上定的基礎上定義了基于義了基于CANCAN應用的子協議。應用的子協議。 CANCAN的發展過程的發展過程 盡管當初研究盡管當初研究CANCAN的起點是應用于客車系統，但的起點是應用于客車系統，但CANCAN的第一的第一個市場應用卻來自于其他領域。特別是在北歐，個市場應用卻來自于其他領域。特別是在北歐，CANCAN早已得到早已得到非常普遍的應用。在荷蘭，電梯廠商非常普遍的應用。在荷蘭，電梯廠商K

21、oneKone在電梯上使用了在電梯上使用了CANCAN總線，總線，PhilipsPhilips醫療系統也使用醫療系統也使用CANCAN構成構成X X光機的內部網絡，成光機的內部網絡，成為為CANCAN的用戶。的用戶。 19921992年年5 5月，月，CiACiA“CAN in AutomationCAN in Automation”用戶集團正式成立。用戶集團正式成立。CiACiA推薦僅使用遵循推薦僅使用遵循ISO11898ISO11898的的CANCAN收發器。現在，在當時的收發器。現在，在當時的CANCAN網絡中使用非常普遍但并不兼容的網絡中使用非常普遍但并不兼容的RS-485RS-485

22、收發器已基本消收發器已基本消失。失。 從從19901990年中期起，年中期起，InfineonInfineon公司和公司和MotorolaMotorola公司等生產公司等生產CANCAN模塊集成器件的模塊集成器件的1515家半導體廠商已向歐洲的汽車廠商提供家半導體廠商已向歐洲的汽車廠商提供第13頁/共113頁了大量的了大量的CANCAN控制器。從控制器。從19901990年后期起，亞洲的半導體廠商也年后期起，亞洲的半導體廠商也開始提供開始提供CANCAN控制器。控制器。 從從19921992年起，奔馳公司開始在高級轎車中使用年起，奔馳公司開始在高級轎車中使用CANCAN技術。技術。第一步使用電

23、子控制器通過第一步使用電子控制器通過CANCAN對發動機進行管理；第二步使對發動機進行管理；第二步使用控制器接收人們的操作信號。這就使用了用控制器接收人們的操作信號。這就使用了2 2個物理上獨立的個物理上獨立的CANCAN總線系統，它們通過網關連接。其他的汽車廠商在他們的總線系統，它們通過網關連接。其他的汽車廠商在他們的汽車上也使用汽車上也使用2 2套套CANCAN總線系統。總線系統。 現在，繼現在，繼VolvoVolvo、SaabSaab、VolkswagenVolkswagen、BMWBMW之后，之后，RenaultRenault和和FiatFiat也開始在他們的汽車上使用也開始在他們的汽

24、車上使用CANCAN總線。不僅如總線。不僅如此，由于此，由于CANCAN總線的突出優勢，其應用已經發展到了幾乎涵蓋總線的突出優勢，其應用已經發展到了幾乎涵蓋所有的網絡控制領域。所有的網絡控制領域。第14頁/共113頁4.1.3一個典型的工程實例一個典型的工程實例 目前的汽車電子信息產品已經平均占到汽車總成本的目前的汽車電子信息產品已經平均占到汽車總成本的1/31/3，并且這個比率正在不斷被提高，有專家認為，未來并且這個比率正在不斷被提高，有專家認為，未來1010年內，這年內，這個比率將達到個比率將達到4040。中高級轎車、客車甚至大型卡車上普遍采。中高級轎車、客車甚至大型卡車上普遍采用了用了C

25、ANCAN總線，不僅提高了性能，節省大量電纜，而且給人們總線，不僅提高了性能，節省大量電纜，而且給人們帶來了更好的享受，提高了駕馭者的舒適程度。帶來了更好的享受，提高了駕馭者的舒適程度。 一汽一汽- -大眾汽車有限公司大眾汽車有限公司20012001年年1212月上市的寶來（月上市的寶來（BoraBora）轎車，在動力傳動系統和舒適系統中就裝用了兩套轎車，在動力傳動系統和舒適系統中就裝用了兩套CANCAN數據傳數據傳輸系統，其中輸系統，其中CANCAN數據傳輸舒適系統如數據傳輸舒適系統如圖圖4.14.1所示。所示。第15頁/共113頁接發電機底盤網絡 儀表單元 M MM MM MM MM MM

26、 MM MM MM MM MM MM M前門單元車身中央控制單元空調單元 前座單元 頂窗單元 前座單元 左前門單元 M MM MM M后門單元 后門單元 后座單元M MM M后窗單元 MM MM MCANCANMLINLIN電機加熱器燈具控制面板圖例：圖圖4-1 CAN4-1 CAN數據傳輸舒適系統數據傳輸舒適系統CANZONGXIANCANZONGXIAN第16頁/共113頁 圖上較粗線代表圖上較粗線代表CANCAN總線，它連接了傳動裝置控制中央單總線，它連接了傳動裝置控制中央單元、燈控單元、門控單元、座椅控制單元、空調單元以及儀元、燈控單元、門控單元、座椅控制單元、空調單元以及儀表盤控制單

27、元等等。較細線代表表盤控制單元等等。較細線代表LINLIN總線，由總線，由LINLIN總線構成的總線構成的LINLIN網絡作為網絡作為CANCAN網絡的輔助網絡，連接了車窗控制單元、雨網絡的輔助網絡，連接了車窗控制單元、雨刷控制單元、天窗控制單元等低速設備。刷控制單元、天窗控制單元等低速設備。 CANCAN數據傳輸舒適系統網絡與動力傳動系統網絡通過網橋數據傳輸舒適系統網絡與動力傳動系統網絡通過網橋相互通信。相互通信。 LINLIN網絡（網絡（Local Interconnect NetworkLocal Interconnect Network），由汽車廠），由汽車廠商為汽車開發，作為商為汽車

28、開發，作為CANCAN網絡的輔助網絡，目標應用在低端系網絡的輔助網絡，目標應用在低端系統，不需要統，不需要CANCAN的性能、帶寬以及復雜性。的性能、帶寬以及復雜性。LINLIN的工作方式是的工作方式是一主多從，單線雙向低速傳送數據（最高一主多從，單線雙向低速傳送數據（最高20K20K位位/ /秒），與秒），與CANCAN相比具有更低的成本，且基于相比具有更低的成本，且基于UARTUART接口，無需硬件協議控制接口，無需硬件協議控制器，使系統成本更低。器，使系統成本更低。 第17頁/共113頁4.2CAN的物理層的物理層 ISO 11898ISO 11898是一個使用是一個使用CANCAN總線

29、協議的汽車內高速通訊國際標總線協議的汽車內高速通訊國際標準，這個標準的基本作用是定義了通訊鏈路的數據鏈路層和物準，這個標準的基本作用是定義了通訊鏈路的數據鏈路層和物理層，如理層，如圖圖4.24.2所示物理層被細分成所示物理層被細分成3 3個子層，它們分別是：個子層，它們分別是：l l物理信令位編碼定時和同步物理信令位編碼定時和同步l l物理媒體連接驅動器和接收器特性物理媒體連接驅動器和接收器特性l l媒體相關接口總線連接器媒體相關接口總線連接器 收發器實現物理媒體連接子層。物理信令子層和數據鏈路層收發器實現物理媒體連接子層。物理信令子層和數據鏈路層之間的連接是通過集成的協議控制器實現的，如：之

30、間的連接是通過集成的協議控制器實現的，如：PCx82C200PCx82C200、SJA1000SJA1000等。而媒體相關接口負責連接傳輸媒體譬如將總線節點等。而媒體相關接口負責連接傳輸媒體譬如將總線節點連接到總線的連接器，如：連接到總線的連接器，如：PCA82C250PCA82C250、TJA1050TJA1050等收發器。等收發器。 第18頁/共113頁圖圖4.2 ISO118984.2 ISO11898標準數據鏈路層和物理層結構圖標準數據鏈路層和物理層結構圖 第19頁/共113頁4.2 CAN4.2 CAN的物理層的物理層4.2.1 4.2.1 CANCAN的網絡拓撲的網絡拓撲4.2.2

31、 4.2.2 CANCAN的媒體連接的媒體連接第20頁/共113頁4.2.1 CAN的網絡的網絡拓撲拓撲 CAN CAN以多主方式工作，網絡上任意一個節點均可以在以多主方式工作，網絡上任意一個節點均可以在任意時刻主動地向網絡上的其他節點發送信息，而不分任意時刻主動地向網絡上的其他節點發送信息，而不分主從，通信方式靈活。其網絡拓撲形式大多是總線型結主從，通信方式靈活。其網絡拓撲形式大多是總線型結構，拓撲示意圖見構，拓撲示意圖見圖圖4.34.3。 節點1 1節點2 2節點3 3節點4 4CANCAN總線總線圖圖4.3 CAN4.3 CAN的總線型網的總線型網CANCAN的網絡拓撲的網絡拓撲第21頁

32、/共113頁4.2.2 CAN的物理媒體連接的物理媒體連接 CAN CAN總線物理層的物理媒體連接比較靈活，可以采用共地總線物理層的物理媒體連接比較靈活，可以采用共地的單線式（汽車常用）、雙線式、同軸電纜、雙絞線、光纜的單線式（汽車常用）、雙線式、同軸電纜、雙絞線、光纜等，理論上節點數目沒有限制，實際可達等，理論上節點數目沒有限制，實際可達110110個。個。 電子信號在總線上會被信號線終端反射回來，避免信號電子信號在總線上會被信號線終端反射回來，避免信號的反射對節點正確讀取總線電壓非常重要。在總線的兩個終的反射對節點正確讀取總線電壓非常重要。在總線的兩個終端加上終端電阻以終結總線，可以避免信

33、號反射。端加上終端電阻以終結總線，可以避免信號反射。 CANCAN總線具有兩種邏輯狀態，隱性和顯性。總線具有兩種邏輯狀態，隱性和顯性。 隱性狀態下，隱性狀態下，VCAN-HVCAN-H和和VCAN-LVCAN-L被固定為平均電壓電平，被固定為平均電壓電平，兩者電壓差為兩者電壓差為0 0。 顯性狀態下，顯性狀態下，VCAN-HVCAN-H和和VCAN-LVCAN-L分別為分別為3.5V3.5V和和1.5V1.5V，兩者，兩者差分電壓大于差分電壓大于2V2V。如。如圖圖4.44.4所示。所示。 第22頁/共113頁隱性狀態隱性狀態顯性狀態圖圖4.4 4.4 根據根據ISO 11898 ISO 11

34、898 的的額定額定總線電平總線電平 第23頁/共113頁4.3 CAN協議規范協議規范4.3.1 基本術語基本術語4.3.2 CAN的報文及結構的報文及結構4.3.3 CAN的位仲裁技術的位仲裁技術第24頁/共113頁4.3CAN協議規范協議規范 1.CAN 1.CAN規范中的對應規范中的對應ISO/OSIISO/OSI參考模型的網絡層參考模型的網絡層 CANCAN為串行通訊協議，能有效地支持具有很高安全等級的為串行通訊協議，能有效地支持具有很高安全等級的分布實時控制。分布實時控制。CANCAN的應用范圍很廣，從高速的網絡到低價位的應用范圍很廣，從高速的網絡到低價位的多路接線都可以使用的多路

35、接線都可以使用CANCAN。在汽車電子行業里，使用。在汽車電子行業里，使用CANCAN連連接發動機控制單元、傳感器、防剎車系統、等等，其傳輸速接發動機控制單元、傳感器、防剎車系統、等等，其傳輸速度可達度可達1Mbit/s1Mbit/s。同時，可以將。同時，可以將CANCAN安裝在卡車本體的電子控安裝在卡車本體的電子控制系統里，諸如車燈組、電氣車窗等等，用以代替接線配線制系統里，諸如車燈組、電氣車窗等等，用以代替接線配線裝置。裝置。 技術規范的目的是為了在任何兩個技術規范的目的是為了在任何兩個CANCAN儀器之間建立兼容儀器之間建立兼容性。可是，兼容性有不同的方面，比如電氣特性和數據轉換性。可是

36、，兼容性有不同的方面，比如電氣特性和數據轉換的解釋。為了達到設計透明度以及實現靈活性，根據的解釋。為了達到設計透明度以及實現靈活性，根據ISO/OSIISO/OSI參考模型，參考模型，CAN 2.0CAN 2.0規范細分為以下不同的層次：數據鏈路層規范細分為以下不同的層次：數據鏈路層和物理層和物理層( (如如圖圖4.54.5所示所示) )。 第25頁/共113頁接收濾波數據鏈路層 邏輯鏈路控制子層(LLC)(LLC)超載通知恢復管理 媒體訪問控制子層（MACMAC）數據封裝/拆裝幀編碼媒體訪問管理錯誤檢測出錯標定應答串行化/解除串行化 故障界定物理層 位編碼/ /解碼 位定時同步驅動器/ /接

37、收器特性 總線故障管理 圖4.5 CAN4.5 CAN協議分層結構和功能第26頁/共113頁 在以前版本的在以前版本的CANCAN規范中，數據鏈路層的規范中，數據鏈路層的LLCLLC子層和子層和MACMAC子層的服務及功能分別被解釋為子層的服務及功能分別被解釋為“對象層對象層”和和“傳輸層傳輸層”。 邏輯鏈路控制子層邏輯鏈路控制子層(LLC)(LLC)的作用范圍如下：的作用范圍如下： 為遠程數據請求以及數據傳輸提供服務。為遠程數據請求以及數據傳輸提供服務。 確定由實際要使用的確定由實際要使用的LLCLLC子層接收哪一個報文。子層接收哪一個報文。 為恢復管理和過載通知提供手段。為恢復管理和過載通

38、知提供手段。 在這里，定義對象處理較為自由。在這里，定義對象處理較為自由。MACMAC子層的作用主要子層的作用主要是傳送規則，也就是控制幀結構、執行仲裁、錯誤檢測、出是傳送規則，也就是控制幀結構、執行仲裁、錯誤檢測、出錯標定、故障界定。總線上什么時候開始發送新報文及什么錯標定、故障界定。總線上什么時候開始發送新報文及什么時候開始接收報文，均在時候開始接收報文，均在MACMAC子層里確定。位定時的一些普子層里確定。位定時的一些普通功能也可以看作是通功能也可以看作是MACMAC子層的一部分。理所當然，子層的一部分。理所當然，MACMAC子層子層的修改是受到限制的。的修改是受到限制的。 第27頁/共

39、113頁 物理層的作用是在不同節點之間根據所有的電氣屬性進物理層的作用是在不同節點之間根據所有的電氣屬性進行位的實際傳輸。同一網絡的物理層對于所有的節點當然是行位的實際傳輸。同一網絡的物理層對于所有的節點當然是相同的。盡管如此，在選擇物理層方面還是很自由的。相同的。盡管如此，在選擇物理層方面還是很自由的。 這本技術規范的目的是定義數據鏈路層中這本技術規范的目的是定義數據鏈路層中MACMAC子層和一小子層和一小部分部分LLCLLC子層，以及定義子層，以及定義CANCAN協議于周圍各層當中所發揮的作協議于周圍各層當中所發揮的作用）。用）。 2 2基本概念基本概念 CANCAN具有以下的屬性：具有以

40、下的屬性： 報文的優先權報文的優先權 保證延遲時間保證延遲時間 設置靈活設置靈活 時間同步的多點接收時間同步的多點接收第28頁/共113頁 系統內數據的連貫性系統內數據的連貫性 多主機多主機 錯誤檢測和錯誤標定錯誤檢測和錯誤標定 只要總線一處于空閑，就自動將破壞的報文重新傳輸只要總線一處于空閑，就自動將破壞的報文重新傳輸 將節點的暫時性錯誤和永久性錯誤區分開來，并且可以將節點的暫時性錯誤和永久性錯誤區分開來，并且可以自動關閉由自動關閉由OSIOSI參考模型分層參考模型分層CANCAN結構的錯誤的節點。結構的錯誤的節點。 依據依據ISO/OSIISO/OSI參考模型的層結構具有以下功能參考模型的

41、層結構具有以下功能: : 物理層定義信號是如何實際地傳輸的，因此涉及到位時物理層定義信號是如何實際地傳輸的，因此涉及到位時間、位編碼、同步的解釋。本技術規范沒有定義物理層的驅間、位編碼、同步的解釋。本技術規范沒有定義物理層的驅動器動器/ /接收器特性，以便允許根據它們的應用，對發送媒體接收器特性，以便允許根據它們的應用，對發送媒體和信號電平進行優化。和信號電平進行優化。 MAC MAC 子層是子層是CANCAN協議的核心。它把接收到的報文提供給協議的核心。它把接收到的報文提供給LLCLLC子層，并接收來自子層，并接收來自LLCLLC子層的報文。子層的報文。MACMAC子層負責報文子層負責報文第

42、29頁/共113頁 分幀、仲裁、應答、錯誤檢測和標定。分幀、仲裁、應答、錯誤檢測和標定。MACMAC子層也被稱子層也被稱作故障界定的管理實體監管。此故障界定為自檢機制，作故障界定的管理實體監管。此故障界定為自檢機制，以便把永久故障和短時擾動區別開來。以便把永久故障和短時擾動區別開來。 LLC LLC子層涉及報文濾波、過載通知、以及恢復管理。子層涉及報文濾波、過載通知、以及恢復管理。第30頁/共113頁4.3.1基本術語基本術語 1 1報文報文 總線上的報文以不同的固定報文格式發送，但長度受限。總線上的報文以不同的固定報文格式發送，但長度受限。當總線空閑時任何連接的單元都可以開始發送新的報文。當

43、總線空閑時任何連接的單元都可以開始發送新的報文。 2 2信息路由信息路由 在在CAN CAN 系統里，系統里，CAN CAN 的節點不使用任何關于系統配置的報的節點不使用任何關于系統配置的報文（比如，節點地址）。這樣不用依賴應用層以及任何節點軟文（比如，節點地址）。這樣不用依賴應用層以及任何節點軟件和硬件的改變，就可以在件和硬件的改變，就可以在CAN CAN 網絡中直接添加節點。提高系網絡中直接添加節點。提高系統靈活性。報文的內容由識別符命名。識別符不指出報文的目統靈活性。報文的內容由識別符命名。識別符不指出報文的目的地，但解釋數據的含義。因此，網絡上所有的節點可以通過的地，但解釋數據的含義。

44、因此，網絡上所有的節點可以通過報文濾波確定是否應對該數據做出反應。由于引入了報文濾波報文濾波確定是否應對該數據做出反應。由于引入了報文濾波的概念，任何節點都可以接收報文，并與此同時對此報文做出的概念，任何節點都可以接收報文，并與此同時對此報文做出反應。為確保報文在反應。為確保報文在CAN CAN 網絡里同時被所有的節點接收（或同網絡里同時被所有的節點接收（或同時不被接收）。因此，系統的數據連貫性是通過多播和錯誤處時不被接收）。因此，系統的數據連貫性是通過多播和錯誤處理的原理實現的。理的原理實現的。第31頁/共113頁 3 3位速率位速率 不同的系統，不同的系統，CAN CAN 的速度不同。在一

45、個給定的系統里，位的速度不同。在一個給定的系統里，位速率是唯一的，并且是固定的。速率是唯一的，并且是固定的。 4 4優先權優先權 在總線訪問期間，識別符定義一個靜態的報文優先權。在總線訪問期間，識別符定義一個靜態的報文優先權。 5 5遠程數據請求遠程數據請求 通過發送遠程幀，需要數據的節點可以請求另一節點發送通過發送遠程幀，需要數據的節點可以請求另一節點發送相應的數據幀。數據幀和相應的遠程幀是由相同的識別符命相應的數據幀。數據幀和相應的遠程幀是由相同的識別符命名的。名的。 6 6仲裁仲裁 只要總線空閑，任何單元都可以開始發送報文。具有較只要總線空閑，任何單元都可以開始發送報文。具有較高優先權報

46、文的單元可以獲得總線訪問權。如果高優先權報文的單元可以獲得總線訪問權。如果2 2個或個或2 2個以個以上的單元同時開始傳送報文，那么就會有總線訪問沖突。上的單元同時開始傳送報文，那么就會有總線訪問沖突。第32頁/共113頁仲裁的仲裁的機制確保了報文和時間均不損失。當具有相同識別機制確保了報文和時間均不損失。當具有相同識別符的數據幀和遠程幀同時初始化時，數據幀優先于遠程幀。仲符的數據幀和遠程幀同時初始化時，數據幀優先于遠程幀。仲裁期間，每一個發送器都對發送位的電平與被監控的總線電平裁期間，每一個發送器都對發送位的電平與被監控的總線電平進行比較。如果電平相同，則這個單元可以繼續發送。如果發進行比較

47、。如果電平相同，則這個單元可以繼續發送。如果發送的是一送的是一“隱性隱性”電平而監視的是一電平而監視的是一“顯性顯性”電平（見總線電平（見總線值），那么單元就失去了仲裁，必須退出發送狀態。值），那么單元就失去了仲裁，必須退出發送狀態。 7 7錯誤檢測錯誤檢測 為了獲得最安全的數據發送，為了獲得最安全的數據發送，CAN CAN 的每一個節點均采取了強的每一個節點均采取了強有力的措施以便于錯誤檢測、錯誤標定及錯誤自檢。有力的措施以便于錯誤檢測、錯誤標定及錯誤自檢。 要進行檢測錯誤，必須采取以下措施：要進行檢測錯誤，必須采取以下措施： 監視（發送器對發送位的電平與被監控的總線電平進行監視（發送器對發

48、送位的電平與被監控的總線電平進行比較）比較） 循環冗余檢查循環冗余檢查第33頁/共113頁 位填充位填充 報文格式檢查報文格式檢查 錯誤檢測的執行錯誤檢測的執行錯誤檢測的機制要具有以下的屬性：錯誤檢測的機制要具有以下的屬性： 檢測到所有的全局錯誤檢測到所有的全局錯誤 檢測到發送器所有的局部錯誤檢測到發送器所有的局部錯誤 可以檢測到報文里多達可以檢測到報文里多達5 5個任意分布的錯誤個任意分布的錯誤 檢測到報文里長度低于檢測到報文里長度低于1515（位）的突發性錯誤（位）的突發性錯誤 檢測到報文里任一奇數個的錯誤檢測到報文里任一奇數個的錯誤 錯誤標定和恢復時間錯誤標定和恢復時間 任何檢測到錯誤的

49、節點會標志出損壞的報文。此報文會失任何檢測到錯誤的節點會標志出損壞的報文。此報文會失效并將自動地開始重新傳送。如果不再出現錯誤的話，從檢測效并將自動地開始重新傳送。如果不再出現錯誤的話，從檢測第34頁/共113頁到到錯誤的節點會標志出損壞的報文。此報文會失效并將自動地錯誤的節點會標志出損壞的報文。此報文會失效并將自動地開始重新傳送。如果不再出現錯誤的話，從檢測到錯誤到下一開始重新傳送。如果不再出現錯誤的話，從檢測到錯誤到下一報文的傳送開始為止，恢復時間最多為報文的傳送開始為止，恢復時間最多為3131個位的時間。個位的時間。 8 8故障界定故障界定 CAN CAN 節點能夠把永久故障和短暫擾動區

50、別開來。故障的節節點能夠把永久故障和短暫擾動區別開來。故障的節點會被關閉。點會被關閉。 9 9總線值總線值 總線有二個互補的邏輯值：總線有二個互補的邏輯值：“顯性顯性”或或“隱性隱性”。“顯性顯性”位和位和“隱性隱性”位同時傳送時，總線的結果值為位同時傳送時，總線的結果值為“顯性顯性”。比如，。比如，在總線的在總線的“寫與寫與”執行時，邏輯執行時，邏輯0 0代表代表“顯性顯性”等級，邏輯等級，邏輯1 1代代表表“隱性隱性”等級。等級。 1010應答應答 所有的接收器檢查報文的連貫性。對于連貫的報文，接收所有的接收器檢查報文的連貫性。對于連貫的報文，接收器應答，對于不連貫的報文，接收器作出標志。

51、器應答，對于不連貫的報文，接收器作出標志。 第35頁/共113頁4.3.2CAN的報文及結構的報文及結構 在總線上的任意節點均可以作為發送器或接收器，那么在總線上的任意節點均可以作為發送器或接收器，那么我們就將發出報文的節點叫發送器，該節點在總線空閑或丟我們就將發出報文的節點叫發送器，該節點在總線空閑或丟失仲裁前始終為發送器。如果一個節點不是發送器，且總線失仲裁前始終為發送器。如果一個節點不是發送器，且總線不是處于空閑狀態，則該節點就叫接收器。報文由一個發送不是處于空閑狀態，則該節點就叫接收器。報文由一個發送器發出，再由一個或多個接收器接收。器發出，再由一個或多個接收器接收。 報文傳輸由報文傳

52、輸由4 4個不同類型的幀表示和控制：個不同類型的幀表示和控制： 數據幀：數據幀攜帶數據從發送器至接收器。總線上傳輸數據幀：數據幀攜帶數據從發送器至接收器。總線上傳輸的大多是這個幀。的大多是這個幀。 遠程幀：由總線單元發出，請求發送具有同一識別符的數遠程幀：由總線單元發出，請求發送具有同一識別符的數據幀。數據幀（或遠程幀）通過幀間空間與其他各幀分開。據幀。數據幀（或遠程幀）通過幀間空間與其他各幀分開。 錯誤幀：任何單元一但檢測到總線錯誤就發出錯誤幀。錯誤幀：任何單元一但檢測到總線錯誤就發出錯誤幀。 過載幀：過載幀用以在先行的和后續的數據幀（或遠程幀）過載幀：過載幀用以在先行的和后續的數據幀（或遠

53、程幀）之間提供一附加的延時。之間提供一附加的延時。 第36頁/共113頁1 1數據幀數據幀 數據幀由數據幀由7 7個不同的位場組成：幀起始（個不同的位場組成：幀起始（Stsrt of Stsrt of FrameFrame）、仲裁場（）、仲裁場（Arbitration FrameArbitration Frame）、控制場（）、控制場（Control Control FrameFrame）、數據場（）、數據場（DataFrameDataFrame）、）、CRC CRC 場（場（CRC FrameCRC Frame）、應）、應答場（答場（ACK FrameACK Frame）、幀結尾（）、幀結尾

54、（End of FrameEnd of Frame）。數據場的長）。數據場的長度可以為度可以為0 0。CAN 2.0ACAN 2.0A數據幀的組成如數據幀的組成如圖圖4.64.6所示。所示。 圖4.6 4.6 數據幀的組成第37頁/共113頁 幀起始幀起始 幀起始（幀起始（SOFSOF）標志數據幀和遠程幀的起始，）標志數據幀和遠程幀的起始，僅由一個僅由一個“顯性顯性”位組成。只在總線空閑時才允許站開始發位組成。只在總線空閑時才允許站開始發送。所有站必須同步于首先開始發送報文的站的幀起始前沿。送。所有站必須同步于首先開始發送報文的站的幀起始前沿。 仲裁場仲裁場 仲裁場包括識別符和遠程發送請求位仲

55、裁場包括識別符和遠程發送請求位（RTR RTR ）。）。見圖見圖4.74.7仲裁場結構示意圖仲裁場結構示意圖圖圖4.7 4.7 仲裁場結構示意圖仲裁場結構示意圖第38頁/共113頁圖4.8 標準格式數據幀與擴展格式數據幀的仲裁場圖圖4.8 4.8 標準格式數據幀與擴展格式數據幀的仲裁場標準格式數據幀與擴展格式數據幀的仲裁場 第39頁/共113頁 識別符：識別符： 標準格式識別符的長度為標準格式識別符的長度為1111位，相當于擴展格式的基本位，相當于擴展格式的基本IDID（Base IDBase ID）。這些位按）。這些位按ID-28ID-28到到ID-18ID-18的順序發送。最低位是的順序發

56、送。最低位是ID-18ID-18。7 7個最高位（個最高位（ID-28-ID-22ID-28-ID-22）必須不能全是）必須不能全是“隱性隱性”。 擴展格式識別符和標準格式形成對比，擴展格式識別符和標準格式形成對比，參見圖參見圖4.84.8標準格式標準格式數據幀與擴展格式數據幀的仲裁場比較，擴展格式由數據幀與擴展格式數據幀的仲裁場比較，擴展格式由2929位組成。位組成。其格式包含兩個部分：其格式包含兩個部分：1111位基本位基本IDID、1818位擴展位擴展IDID。基本。基本IDID包括包括1111位，它按位，它按ID-28ID-28到到ID-18ID-18的順序發送。它相當于標準識別符的的

57、順序發送。它相當于標準識別符的格式。基本格式。基本IDID定義擴展幀的基本優先權。擴展定義擴展幀的基本優先權。擴展IDID：擴展：擴展IDID包括包括1818位。它按位。它按ID-17ID-17到到ID-0ID-0順序發送。順序發送。 標準幀里，識別符其后是標準幀里，識別符其后是RTRRTR位。位。 RTRRTR位：位： RTRRTR的全稱為的全稱為“遠程發送請求位（遠程發送請求位（Remote Transmission Remote Transmission Request BITRequest BIT）”。第40頁/共113頁 SRR SRR是一隱性位。它在擴展格式的標準幀是一隱性位。它在

58、擴展格式的標準幀RTRRTR位位置，因此代位位置，因此代替標準幀的替標準幀的RTRRTR位。位。 因此，標準幀與擴展幀的沖突是通過標準幀優先于擴展幀因此，標準幀與擴展幀的沖突是通過標準幀優先于擴展幀這一途徑得以解決的，擴展幀的基本這一途徑得以解決的，擴展幀的基本IDID如同標準幀的識別符。如同標準幀的識別符。 IDEIDE位：位： IDEIDE的全稱是的全稱是“識別符擴展位（識別符擴展位（Identifier Extension BitIdentifier Extension Bit）”標準格式里的標準格式里的IDEIDE位為位為“顯性顯性”，而擴展格式里的，而擴展格式里的IDEIDE位為位為

59、“隱隱性性”。 控制場控制場 控制場由控制場由6 6個位組成。如個位組成。如圖圖4.94.9所示。所示。圖圖4.9 4.9 控制場示意圖控制場示意圖第41頁/共113頁表表4.1 4.1 數據長度代碼表數據長度代碼表 數據字節數 數據長度代碼 DLC DLC DLC DLC0 0dddd1dddr2ddrd3ddrr4drdd5drdr6drrd7drrr8rddd 標準格式里的幀包括數據標準格式里的幀包括數據長度代碼、長度代碼、IDEIDE位（為顯性位（為顯性位）、及保留位位）、及保留位r0r0。擴展格式。擴展格式里的幀包括數據長度代碼和兩里的幀包括數據長度代碼和兩個保留位：個保留位：r1r

60、1和和r0r0。 保留位保留位：必須發送為顯性，必須發送為顯性，但是接收器認可但是接收器認可“顯性顯性”和和“隱性隱性”位的組合。位的組合。 數據長度代碼：數據長度代碼：數據長度數據長度代碼指示了數據場里的字節數代碼指示了數據場里的字節數量。數據長度代碼為量。數據長度代碼為4 4個位，個位，它在控制場里發送。數據長度它在控制場里發送。數據長度代碼中數據字節數的編碼代碼中數據字節數的編碼 縮寫：縮寫：d d“顯性顯性” r r“隱性隱性” 第42頁/共113頁 數據幀允許的數據字節數：數據幀允許的數據字節數：00，1 1，.，7 7，88。 其他的數值不允許使用。其他的數值不允許使用。 數據場數