CAN 總線協(xié)議是什么？

CAN 控制器局域總線是 Controller Area Network 的縮寫，它的出現(xiàn)最初是為了取代汽車行業(yè)電子控制系統(tǒng)中不斷增加的信號線，后來因為它具有高可靠性、實時性和靈活性，已經(jīng)延伸使用到了工業(yè)與自動化等其他領(lǐng)域。CAN總線是一個單一的總線，所有的外圍器件都可以被掛載到該總線，大致原理如下圖：

圖中，120Ω的電阻可以匹配總線阻抗，吸收信號發(fā)射及回?fù)?，提高了?shù)據(jù)通信的抗干擾能力。每一個節(jié)點(diǎn)都對應(yīng)一個外圍器件，每個外圍器件要接入到CAN總線都需包含CAN 控制器和CAN收發(fā)器。其中，CAN控制器主要負(fù)責(zé)上層應(yīng)用層信號和邏輯電平之間的轉(zhuǎn)換，而CAN 收發(fā)主要負(fù)責(zé)邏輯電平和物理信號之間的轉(zhuǎn)換。

CAN 總線使用CAN_H 和 CAN_L兩根線來連接各個單元，CAN 控制器通過判斷這兩根線上的電位差來得到總線電平（又稱邏輯電平）。CAN 總線通過顯性電平和隱性電平的變化，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。當(dāng)總線上無節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時，會一直處于隱性狀態(tài)。

顯性電平（邏輯電平 0）：CAN_H = 3.5 V，CAN_L = 1.5 V，電位差 = 2 V；

隱性電平（邏輯電平 1）：CAN_H = CAN_L = 2 V，電位差 = 0 V。

CAN 總線協(xié)議的通信過程

CAN 的通信過程簡單來說，就是發(fā)送方通過使總線電平發(fā)生變化傳遞信息，接收方通過監(jiān)聽總線電平，將總線上的消息讀入自己的接收器。

  1、發(fā)送過程

假設(shè)CAN總線處在隱性狀態(tài)，并從節(jié)點(diǎn)1開始發(fā)送數(shù)據(jù)。上層應(yīng)用層發(fā)送信號，假設(shè)CAN控制器轉(zhuǎn)換成了邏輯電平 0，經(jīng)由 TxD 發(fā)給 CAN 收發(fā)器，然后轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓，這樣就完成了 1 bit 數(shù)據(jù)的發(fā)送。

  2、接收過程

CAN是廣播式地給當(dāng)前局部網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的，這樣接收時總線上的每一個設(shè)備都會收到這一幀的數(shù)據(jù)。CAN 的幀格式是面向內(nèi)容的編址方案，可以認(rèn)為報文是通過內(nèi)容尋址，也就是說，報文的內(nèi)容隱式地確定其地址。

節(jié)點(diǎn)2：檢查了內(nèi)容發(fā)現(xiàn)不是發(fā)給自己的，直接過濾；

節(jié)點(diǎn)3：同樣發(fā)現(xiàn)不是發(fā)給自己的，直接過濾；

節(jié)點(diǎn)4：讀取這一幀數(shù)據(jù)；

節(jié)點(diǎn)4 的CAN收發(fā)器將總線上的差分電平轉(zhuǎn)換成邏輯電平，隨后再由CAN控制器轉(zhuǎn)換成信號發(fā)送給上層。

CAN 通信幀

接下來我們要進(jìn)一步了解每一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送的一幀報文。其實CAN 通信幀有很多種，有用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)?、遠(yuǎn)程控制的、錯誤通知等等。其中最為常用的就是用于傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀。

 下面來聊聊數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀可以根據(jù)仲裁段長度不同，分為標(biāo)準(zhǔn)幀、擴(kuò)展幀。

1. 幀起始、幀結(jié)束

幀起始由一個顯性位（低電平）組成，幀結(jié)束由7個隱形位（高電平）組成。

2. 仲裁段

表示該幀優(yōu)先級的段，仲裁段的作用是解決多點(diǎn)競爭問題。每次可能有好幾個設(shè)備同時要往總線發(fā)送數(shù)據(jù)，仲裁段包含幀ID，幀ID越小，優(yōu)先級越高，優(yōu)先級高擁有優(yōu)先使用總線的權(quán)利。

3.控制段

表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)及保留位的段。

4.數(shù)據(jù)段

為0-8字節(jié)，短幀結(jié)構(gòu)，實時性好，適合汽車和工控領(lǐng)域。CAN-FD的數(shù)據(jù)段最高可以發(fā)送 64 字節(jié)。

5.CRC段

檢查幀的傳輸錯誤的段。

6. ACK段

表示確認(rèn)正常接收的段。任何節(jié)點(diǎn)如果準(zhǔn)確無誤地接收到幀，都要向總線上發(fā)送顯性位（邏輯電平0），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。

CAN 總線有哪些特征？

1. 多主控制

CAN 總線沒有主從之分，每個設(shè)備都可以主動發(fā)送數(shù)據(jù)，最先訪問總線的單元獲得發(fā)送權(quán)，剩余總線禁止發(fā)送數(shù)據(jù)。如果多個單元同時開始發(fā)送時，高優(yōu)先級 ID（數(shù)據(jù)幀中的一個字段）的單元可獲得發(fā)送權(quán)。

2.控制通信速度

根據(jù)整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，可設(shè)定適合的通信速度。

在同一網(wǎng)絡(luò)中，所有單元必須設(shè)定成統(tǒng)一的通信速度。即使有一個單元的通信速度與其它的不一樣，此 單元也會輸出錯誤信號，妨礙整個網(wǎng)絡(luò)的通信。不同網(wǎng)絡(luò)間則可以有不同的通信速度。

3.遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求

可通過發(fā)送“遙控幀” 請求其他單元發(fā)送數(shù)據(jù)。

4. 具有錯誤檢測、通知、恢復(fù)功能

所有的單元都可以檢測錯誤（錯誤檢測功能）。

檢測出錯誤的單元會立即同時通知其他所有單元（錯誤通知功能）。

正在發(fā)送消息的單元一旦檢測出錯誤，會強(qiáng)制結(jié)束當(dāng)前的發(fā)送。強(qiáng)制結(jié)束發(fā)送的單元會不斷反復(fù)地重新 發(fā)送此消息直到成功發(fā)送為止（錯誤恢復(fù)功能）。

5.系統(tǒng)的柔軟性

與總線相連的單元沒有類似于“地址”的信息。因此在總線上增加單元時，連接在總線上的其它單元的軟硬件及應(yīng)用層都不需要改變。

在實際應(yīng)用中，正確讀取這一協(xié)議的數(shù)據(jù)對于通信可靠性至關(guān)重要，通過上述內(nèi)容的詳細(xì)介紹，相信大家對CAN協(xié)議的相關(guān)知識有了更加深入的了解。

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