汽车CAN总线基础知识

CAN总线协议 控制器局域网总线(CAN,Controller Area Network)是一种用于实时应用的串行通讯协议总线,它可以使用双绞线来传输信号,是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信,以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。 CAN总线发展 控制器局域网CAN( Controller Area Network)属于现场总线的范畴,是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。是由德国博世公司在20世纪80年代专门为汽车行业开发的一种串行通信总线。而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时,CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。 CAN总线的工作原理 CAN总线使用串行数据传输方式,可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行,也可以使用光缆连接,而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。[1]CAN与I2C总线的许多细节很类似,但也有一些明显的区别。当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时,它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说,无论数据是否是发给自己的,都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符,定义了报文的优先级,这种报文格式称为面向内容的编址。在同一系统中标识符是唯一的,不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时,这种配置十分重要。 当一个站要向其它站发送数据时,该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片,并处于准备状态;当它收到总线分配时,转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出,这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测,判断这些报文是否是发给自己的,以确定是否接收它。由于CAN总线是一种面向内容的编址方案,因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时,数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化,即总线上控制器需要测量数据时,可由网上获得,而无须每个控制器都有自己独立的传感器。 CAN总线在空闲(没有节点传输报文)时是一直处于隐性状态。当有节点传输报文时显性覆盖隐性,由于CAN总线是一种串行总线,也就是说报文是一位一位的传输的,而且是数字信号(0和1),1代表隐性,0代表显性。在传送报文的过程中是显隐交替的,就像二进制数字0101001等,这样就能把信息发送出去,而总线空闲的时候是一直处于隐性的。 CAN总线特征 (1)报文(Message)总线上的数据以不同报文格式发送,但长度受到限制。当总线空闲时,任何一个网络上的节点都可以发送报文。 (2)信息路由(Information Routing)在CAN中,节点不使用任何关于系统配置的报文,比如站地址,由接收节点根据报文本身特征判断是否接收这帧信息。因此系统扩展时,不用对应用层以及任何节点的软件和硬件作改变,可以直接在CAN中增加节点。 (3)标识符(Identifier) 要传送的报文有特征标识符(是数据帧和远程帧的一个域),它给出的不是目标节点地址,而是这个报文本身的特征。信息以广播方式在网络上发送,所有节点都可以接收到。节点通过标识符判定是否接收这帧信息。 (4)数据一致性应确保报文在CAN里同时被所有节点接收或同时不接收,这是配合错误处理和再同步功能实现的。 (5)位传输速率不同的CAN系统速度不同,但在一个给定的系统里,位传输速率是唯一的,并且是固定的。 (6)优先权由发送数据的报文中的标识符报文占用总线的优先权。标识符越小,优先权越高。 (7)远程数据请求(Remote Data Request) 通过发送远程帧,需要数据的节点请求另一节点发送相应的数据。回应节点传送的数据帧与请求数据的远程帧由相同的标识符命名。 (8)仲裁(Arbitration) 只要总线空闲,任何节点都可以向总线发送报文。如果有两个或两个以上的节点同时发送报文,就会引起总线访问碰撞。通过使用标识符的逐位仲裁可以解决这个碰撞。仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时,数据帧优先于远程帧。在仲裁期间,每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同,则这个单元可以继续发送,如果发送的是“隐性”电平而监视到的是“显性”电平,那么这个单元就失去了仲裁,必须退出发送状态。 (9)总线状态总线有“显性”和“隐性”两个状态,“显性”对应逻辑“0”,“隐性”对应逻辑“1”。“显性”状态和“隐性”状态与为“显性”状态,所以两个节点同时分别发送“0”和“1”时,总线上呈现“0”。CAN总线采用二进制不归零(NRZ)编码方式,所以总线上不是“0”,就是“1”。但是CAN协议并没有具体定义这两种状态的具体实现方式。 (10)故障界定(Confinement) CAN节点能区分瞬时扰动引起的故障和永久性故障。故障节点会被关闭。 (11)应答接收节点对正确接收的报文给出应答,对不一致报文进行标记。 (12)CAN通讯距离最大是10公里(设速率为5Kbps),或最大通信速率为1Mbps(设通信距离为40米)。 (13)CAN总线上的节点数可达110个。通信介质可在双绞线,同轴电缆,光纤中选择。 (14)报文是短帧结构,短的传送时间使其受干扰概率低,CAN有很好的校验机制,这些都保证了CAN通信的可靠性。 CAN总线的特点 (1)具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点; (2)采用双线串行通信方式,检错能力强,可在高噪声干扰环境中工作; (3)具有优先权和仲裁功能,多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus 上,形成多主机局部网络; (4)可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文; (5)可靠的错误处理和检错机制; (6)发送的信息遭到破坏后,可自动重发; (7)节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能; (8)报文不包含源地址或目标地址,仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。