CAN总线协议详解 _CAN总线

CAN总线定义：
CAN(Control Area Network)属于现场总线的范畴，是一种高性能、高可靠性、易于开发和低成本的串行总线。
CAN是由德国Bosch公司在1986年为汽车监测和控制而设计的。由于其高性能、高可靠性、实时性等优点，随后也广泛用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等多种领域，其在每个领域的广泛使用促进了标准化的进程。
1991年9月PHILIPS SEMICONDUCTORS制订并发布了CAN技术规范V2.0，该技术规范包括A和B两部分。2.0A曾在CAN技术规范1.2中定义的CAN报文格式，提供11位地址；而2.0B给出了标准和扩展的两种报文格式，提供29位地址。此后ISO在1993年11月也正式发布了CAN的国际标准ISO11898 。其中ISO11898-1定义了CAN数据链路层；ISO11898-2定义了非容错CAN物理层；ISO11898-3定义了11898-3的容错物理层。CAN总线协议只定义了物理层和数据链路层，要将CAN总线应用于实际的工程项目和产品开发中必须制定上层应用协议。目前汽车上应用的协议有：ISO15675(传输层协议)、ISO14229(应用层协议)等。
CAN总线的特点
1、多主控制方式。在总线空闲时，所有单元都可往总线上发送消息（多主控制）。最先访问总线的单元可获得发送权（采用CSMA/CA方式）。当多个单元同时发送时，CANID小的节点获得发送权。
2、非破坏性总线仲裁技术。当总线发生冲突时，高优先级报文可以不受影响的进行传输，保证高优先级的实时性要求；而低优先级的报文退出传输。
3、高可靠性。每帧都有位填充，CRC校验等多种错误检测，保证了极低的错误率；发送期间丢失仲裁或者由于错误而破坏了的数据帧可自动重发（这一点由CAN控制器自己重发，无需人为重新装载发送数据）。
4、自动关闭总线。CAN控制器可以检测和判断总线上的错误类型，是短暂的数据错误（如外部噪声），还是持续数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、短路故障等）。当错误为持续性故障时，CAN控制器可自动关闭，脱离总线，以免影响总线上的其他节点正常通信。
CAN总线拓扑图
CAN控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性和隐性电平，二者必居其一。发送方通过使总线电平变化，将消息发送给接收方。下图1是一个CAN总线连接示意图。
下图1由两个CAN网络组成，其中一个网络通信速率为500K，另外一个为125K 。每个CAN网络由CANH和CANL两根线组成，各个节点（ABS、SAS、ETM、ECM）分别连接在CANH和CAHL上。在每个CAN网络的头尾分别连接了两个终端电阻，终端电阻的大小为120欧姆。
下图1左边阴影部分是某个节点的内部电路模块，包含CPU、CAN控制器（CAN Controller，一般单片机都集成了CAN控制器模块）以及CAN收发器(CAN transceiver) 。其中CPU负责将需要发送的数据传递给CAN控制器，以及接收从CAN控制器中解析的数据；CAN控制器将Rx脚的二进制的0/1转换为具体的报文，然后将报文传递给CPU，以及将CPU需要发送的报文转换为二进制0/1，然后通过Tx脚传递给CAN收发器。CAN控制器的主要功能是电平转换,将CANH和CANL上的电平转换为Rx脚上的0/1，将Tx脚上的0/1在CANH和CANL进行转换。

文章插图
图1
信号电平
高速CAN，定义当CANH 和 CANL 电压相同（CANH = CANL = 2.5V）时为逻辑“1”，CANH和CANL 电压相差 2V（CANH = 3.5V, CANL = 1.5V）时为逻辑“0” 。高速CAN收发器在共模电压范围内（-12V ~ 12V），将CANH和CANL电压相差大于 0.9V 解释为显性状态（Dominant），而将CANH和CANL电压相差小于 0.5V 解释为为隐性状态（Recessive）。
CAN总线采用不归零码位填充技术，也就是说CAN总线上的信号有两种不同的信号状态，分别是显性的(Dominant)逻辑0和隐形的(recessive)逻辑1，信号每一次传输完后不需要返回到逻辑0(显性)的电平。
CAN信号传输