CAN总线基础知识(一)

1.CAN总线是什么?

CAN(Controller Area Network)是ISO国际标准化的串行通信协议。广泛应用于汽车、船舶等。具有已经被大家认可的高性能和可靠性。

CAN控制器通过组成总线的2根线(CAN-H和CAN-L)的电位差来确定总线的电平,在任一时刻,总线上有2种电平:显性电平和隐性电平。

“显性”具有“优先”的意味,只要有一个单元输出显性电平,总线上即为显性电平,并且,“隐性”具有“包容”的意味,只有所有的单元都输出隐性电平,总线上才为隐性电平。(显性电平比隐性电平更强)。

总线上执行逻辑上的线“与”时,显性电平的逻辑值为“0”,隐性电平为“1”。

下图显示了一个典型的CAN拓扑连接图。

连接在总线上的所有单元都能够发送信息,如果有超过一个单元在同一时刻发送信息,有最高优先级的单元获得发送的资格,所有其它单元执行接收操作。

2.CAN总线的特点
CAN总线协议具有下面的特点:

1) 多主控制

当总线空闲时,连接到总线上的所有单元都可以启动发送信息,这就是所谓的多主控制的概念。

先占有总线的设备获得在总线上进行发送信息的资格。这就是所谓的CSMA/CR(Carrier Sense MultipleAccess/Collosion Avoidance)方法

如果多个设备同时开始发送信息,那么发送最高优先级ID消息的设备获得发送资格。

2) 信息的发送

在CAN协议中,所有发送的信息要满足预先定义的格式。当总线没有被占用的时候,连接在总线上的任何设备都能起动新信息的传输,如果两个或更多个设备在同时刻启动信息的传输,通过ID来决定优先级。ID并不是指明信息发送的目的地,而是指示信息的优先级。如果2个或者更多的设备在同一时刻启动信息的传输,在总线上按照信息所包含的ID的每一位来竞争,赢得竞争的设备(也就是具有最高优先级的信息)能够继续发送,而失败者则立刻停止发送并进入接收操作。因为总线上同一时刻只可能有一个发送者,而其它均处于接收状态,所以,并不需要在底层协议中定义地址的概念。

3) 系统的灵活性

连接到总线上的单元并没有类似地址这样的标识,所以,添加或去除一个设备,无需改变软件和硬件,或其它设备的应用层软件。

4) 通信速度

可以设置任何通讯速度,以适应网络规模。

对一个网络,所有单元必须有相同的通讯速度,如果不同,就会产生错误,并妨碍网络通讯,然而,不同网络间可以有不同的通讯速度。

5) 远程数据请求

可以通过发送“遥控帧”,请求其他单元发送数据。

6) 错误检测、错误通知、错误恢复功能

所有单元均可以检测出错误(错误检测功能)。

检测到错误的单元立刻同时通知其它所有的单元(错误通知功能)。如果一个单元发送信息时检测到一个错误,它会强制终止信息传输,并通知其它所有设备发生了错误,然后它会重传直到信息正常传输出去(错误恢复功能)。

7) 错误隔离

在CAN总线上有两种类型的错误:暂时性的错误(总线上的数据由于受到噪声的影响而暂时出错);持续性的错误(由于设备内部出错(如驱动器坏了、连接有问题等)而导致的)。CAN能够区别这两种类型,一方面降低常出错单元的通讯优先级以阻止对其它正常设备的影响,另一方面,如果是一种持续性的错误,将这个设备从总线上隔离开。

8) 连接

CAN总线允许多个设备同时连接到总线上且在逻辑上没有数目上的限制。然而由于延迟和负载能力的限制,实际可连接得设备还是有限制的,可以通过降低通讯速度来增加连接的设备个数。相反,如果连接的设备少,通讯的速度可以增加。

3.错误
3.1 错误状态

设备总是处于下面三个状态之一:

1)主动错误状态

在此状态下,设备能够参加总线上的正常通讯。如果处于主动错误状态的设备检测到一个错误,它会发送一个主动错误标志,更细节见第6章的“CAN协议”。

2)被动错误状态

是指易于引起错误的状态。

尽管处于被动错误状态的设备能够参加总线上的通讯,但是在接收期间,它不可能主动地向其它设备发送错误通知,以避免影响它们的通讯。处于被动错误状态的设备即使检测到一个错误,如果其它处于主动错误状态的设备没曾检测到错误,那么也认为在总线上未曾出现过任何错误。

当处于被动错误状态的设备检测到一个错误的时候,它发送一个被动错误标志。

另外,处于被动错误状态的单元在发送结束后不能立刻再次开始发送。在开始下次发送前,在间隔帧期间内必须插入“暂停发送期”(由8个位的隐性位组成)。

更细节见第6章的“CAN协议”。

3)总线切断状态

处于此状态下时,设备不能参加总线的通讯。设备所有的收发操作都被禁止。

这些状态是通过发送错误计数器和接收错误寄存器来管理,相关错误状态由这些计数器值的组合来标识,错误状态和计数器值之间的关系见表1和图4。

3.2 错误计数器的值
发送和接收错误计数器的值按照规定的条件来改变。

表2小结了错误计数器值改变的条件。

在一个数据收发操作中可能会发生多个条件重叠。

错误计数器增加的时间发生在错误标志的第一bit位置。


4.CAN协议的基本概念
CAN协议包括OSI参考模型的传输层、数据链路层、物理层。图5显示了CAN协议每个层的定义。

数据链路层划分为MAC(Medium Access Control媒体存取控制)和LLC(Logical Link Control罗辑链路控制)。MAC子层组成CAN协议的核心。数据链路层的功能是将从物理层接收到的信号组织成有意义的信息,提供如传输错误控制等数据传输控制流程。更具体来说,包括:信息如何封装成一帧,数据冲突仲裁、应答、错误的检测或通知。数据链路层的这些功能通常由CAN控制器硬件来实现。

物理层定义信号的实际传输方式、位的时序、位的编码、同步的过程步骤,然而,CAN协议并没有定义了信号电平、通讯速度、采样点值、驱动器和总线电气特征、连接器形式。对每个系统,这些特征由用户自行确定。

在BOSCH公司的CAN协议中,并没有关于收发器和总线的电气特征的定义,而在ISO CAN协议中,如ISO11898和ISO11519-2却对此有明确的定义。

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