现场总线与工业以太网CAN总线--课件

1、第4章 CAN 总 线4.1 概述4.2 CAN的的物理层4.3 CAN协议规范4.4 典型CAN总线器件及应用五舱妒纷晒葫欠糊啤陋乳侩芯彬佑嫂浴恶仟刊竿眶城易遇庇雪渠净婉谰霜现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线第4章 CAN 总 线 CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，可以归属于工业现场总线的范畴，通常称为CAN bus，即CAN总线，是目前国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。 与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，它在汽车领域上的应用最为广泛，世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ(奔驰)

2、、BMW(宝马)、volkswagen (大众)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。 同时，由于CAN总线的特点，其应用范围目前已不仅局限于汽车行业，已经在自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域中得到了广泛应用。 刹必称刻冉迎肯糖撂筑茅鬼腊木疽亡匣乎净眯闹杂柑锐评历结怯斩拂莹穿现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线4.1 概述4.1.1 CAN工作原理、特点4.1.2 发展背景及应用情况4.1.3 一个典型的工程实例泣姜鬼卑滞螟朵曲妻停挫篇算之醋壬骂锥聪辱桓罪膏径啥痉

3、建卒婪烙阴才现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线4.1概述 CAN 最初出现在汽车工业中，80年代由德国Bosch公司最先提出。最初动机是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。1993年CAN 成为国际标准ISO11898(高速应用)和ISO11519（低速应用）。 由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。随着应用领域的增多，CAN的规范从CAN 1.2 规范(标准格式)发展为兼容CAN 1.2 规范的CAN2.0规范(CAN2.0A为标准格式，CAN2.0B为扩展格式)，目前应用的CAN器件大多符合CAN2.0规范

4、。 谣铝土薛饼婉朽印芥尿改撑讯洋敞耘焚鞍福没拷妨浆真角帆坎段炸男您作现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线4.1.1 CAN的工作原理、特点1 CAN 的工作原理 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(CAN2.0A)，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个节点发送具有相同标识符的报文。当一个节点要向其它节点发送数据时，该节点的CPU 将要发送的数据和自己的标识符传送给本节点的CAN芯

5、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。沉实叔暇苟闽风变哗胚与剥猎腑凝紊嫉骸洛弛润爷谈怀标股揽郴竭汐倪瞎现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 CAN 芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时 网上的其它节点处于接收状态。 每个处于接收状态的节点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 总线中加进一些新节点而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新节点是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有

6、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。楼躯盲赫傍炳责槐孩虫卫剥叠孰拯锄弛诉世烃胚老憨鞠抠蚁匹沫必盐刻趣现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线2 CAN总线特点 CAN总线是一种串行数据通信协议，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。最大通讯距离可达10km，最大通信速率可达1Mbps。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。 CAN总线特点如下：（1）可以多主方式工作，网络上任意一个

7、节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。利用这一特点也可方便地构成多机备份系统。血跃钝镊华俯砸庭杀懒促郡丛骚姆圈材时伐借躇诽讶感谊汛埠苑舔纲咨捆现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 （2）网络上的节点（信息）可分成不同的优先级可以满足不同的实时要求。 （3）CAN总线采用非破坏性位仲裁总线结构机制，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，大大节省了总线冲突裁决时间；最重要的是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况（以太网则可能）。 （4）可以点对点、一点

8、对多点（成组）及全局广播几种传送方式接收数据。 （5）直接通信距离最远可达10km（速率5Kbps以下）。茂币以邑艳罕厉羔疆蜂壳半氯驴彦羡漠邹库删怨酒扮鸯恃伙衡狮捣菜秤酮现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 （6）通信速率最高可达1MB/s（此时距离最长40m）。 （7）节点数实际可达110个。 （8）采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低，且具有极好的检错效果。可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。 （9）每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。 （10）通信介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维

9、，一般采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。 （11）节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。臆使昭卉捏檄壁箱寝士满绢悯漂炔概暮琶匙耶篙脚右币侣宜尤慎侯悉之翱现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯。 CAN 控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN 协议废除了节点地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可

10、使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN 总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485 只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主节点轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差； CAN 总线通过CAN 控制器接口芯片两个输出端的电平状态，可以保证不会出现象在RS-485网络中，当系统有错误，是乳城取涎错赛怔遥坦奸末融澈巷阀散臀怨沥婉事硷患宇而羚罪砸短悸跟现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且CAN 节点在错误严重

11、的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。 CAN 具有的完善的通信协议可由CAN 控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的RS-485 所无法比拟的。另外，与其它现场总线比较而言，CAN 总线是具有通信速率高、容易实现、低成本、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前CAN 总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。饯焚故辟寝盘串详检钧矢润梆悄袋团摄昂赦菜现疥赣舞兔敌锥花谰瞧疫蜜现场总线与工业以太网CAN总线

12、现场总线与工业以太网CAN总线4.1.2 发展背景及应用情况 1. CAN（控制器局域网）的起源 1986年2月，德国Robert Bosch 公司介绍了一种新型的串行总线CAN控制器局域网。在此之前还没有一种现成的网络方案能够完全满足汽车工程师们增加新功能、减少电气连接线，使其能够用于产品，而非用于驱动技术的要求。 1987年中期，Intel交付了首枚CAN控制器82526，这是CAN方案首次通过硬件加以实现。不久之后，Philips 半导体推出了82C200。由于这两枚最先的CAN控制器在性能上各有千秋，因此形成Philips主推的BasicCAN 和Intel主推的FullCAN 两大阵

13、营。今天的CAN控制器中，在同一模块中的验收滤波和报文控制方面仍有相当的不同。 债衅囱帝西珐燥饰稠涉训榔砾牙侈乾充舀棠傻挂桅渤蹲诗讥扮香蜕妆熟弄现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 今天，在欧洲几乎每一辆新客车均装配有CAN局域网。同样，CAN也用于其他类型的交通工具，甚至工业控制等领域也被大量使用。CAN已经成为全球范围内最重要的总线之一。2000年，全球市场销售超过1亿个CAN器件。 标准化与一致性 1990年，Bosch CAN 规范（CAN 2.0版）被提交给国际标准化组织，于1993年11月出版了CAN的国际标准ISO11898，除了CAN协议外，它也规定了最

14、高至1Mbps波特率时的物理层。同时，在国际标准ISO11519-2中也规定了CAN数据传输中的容错方法。1995年，国际标准ISO11898进行了扩展，以附录的形式说明了29位CAN标识符。当前，修订的CAN规范正在标准化中。ISO11898-1称为“CAN数据链路层”，ISO11898-2称为“非容错CAN物理层”，ISO11898-3称为“容错CAN物理层”。国际标准ISO11992（卡车和拖车接口）和渐俺子毋啡慕铝蕉喂数接纯债交克派综挞俘醛节邑刮古崇狼涤戊这猴刮兼现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线ISO11783（农业和森林机械）都在美国标准J1939的基础上

15、定义了基于CAN应用的子协议。 CAN的发展过程 尽管当初研究CAN的起点是应用于客车系统，但CAN的第一个市场应用却来自于其他领域。特别是在北欧，CAN早已得到非常普遍的应用。在荷兰，电梯厂商Kone在电梯上使用了CAN总线，Philips医疗系统也使用CAN构成X光机的内部网络，成为CAN的用户。 1992年5月，CiA“CAN in Automation”用户集团正式成立。CiA推荐仅使用遵循ISO11898的CAN收发器。现在，在当时的CAN网络中使用非常普遍但并不兼容的RS-485收发器已基本消失。 从1990年中期起，Infineon公司和Motorola公司等生产CAN模块集成器

16、件的15家半导体厂商已向欧洲的汽车厂商提供缨检删标首射恃呈愈份杯惶遇参涕荫辑瘫肥侮誊驼鹰等阮栈歼替橡藻怪蝉现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线了大量的CAN控制器。从1990年后期起，亚洲的半导体厂商也开始提供CAN控制器。 从1992年起，奔驰公司开始在高级轿车中使用CAN技术。第一步使用电子控制器通过CAN对发动机进行管理；第二步使用控制器接收人们的操作信号。这就使用了2个物理上独立的CAN总线系统，它们通过网关连接。其他的汽车厂商在他们的汽车上也使用2套CAN总线系统。 现在，继Volvo、Saab、Volkswagen、BMW之后，Renault和Fiat也开始

17、在他们的汽车上使用CAN总线。不仅如此，由于CAN总线的突出优势，其应用已经发展到了几乎涵盖所有的网络控制领域。剃烙絮核非张挎起无阴炎栖利坷扭怒岂勋少蠕葡初途兢户重瘫伯归答镍园现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线4.1.3 一个典型的工程实例 目前的汽车电子信息产品已经平均占到汽车总成本的1/3，并且这个比率正在不断被提高，有专家认为，未来10年内，这个比率将达到40。中高级轿车、客车甚至大型卡车上普遍采用了CAN总线，不仅提高了性能，节省大量电缆，而且给人们带来了更好的享受，提高了驾驭者的舒适程度。 一汽-大众汽车有限公司2001年12月上市的宝来（Bora）轿车，在

18、动力传动系统和舒适系统中就装用了两套CAN数据传输系统，其中CAN数据传输舒适系统如图4.1所示。异延运赴碑嚼棉垣嚷彼锄僚厢域瞄杠器兵妙碉谊胖彦手摇汞犹出可蔚抢撕现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线接发电机底盘网络仪表单元MMMMMMMMMMMM前门单元车身中央控制单元空调单元前座单元顶窗单元前座单元左前门单元MMM后门单元后门单元后座单元MM后窗单元MMMCANMLIN电机加热器灯具控制面板图例：图4-1 CAN数据传输舒适系统CANZONGXIAN浙沃牲入沟羌礼匹苯滋纽酮熏匹馋河春森吱挣渴赃与难逾泛匠万诌托乐叹现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN

19、总线 图上较粗线代表CAN总线，它连接了传动装置控制中央单元、灯控单元、门控单元、座椅控制单元、空调单元以及仪表盘控制单元等等。较细线代表LIN总线，由LIN总线构成的LIN网络作为CAN网络的辅助网络，连接了车窗控制单元、雨刷控制单元、天窗控制单元等低速设备。 CAN数据传输舒适系统网络与动力传动系统网络通过网桥相互通信。 LIN网络（Local Interconnect Network），由汽车厂商为汽车开发，作为CAN网络的辅助网络，目标应用在低端系统，不需要CAN的性能、带宽以及复杂性。LIN的工作方式是一主多从，单线双向低速传送数据（最高20K位/秒），与CAN相比具有更低的成本，且

20、基于UART接口，无需硬件协议控制器，使系统成本更低。 证翻溉雏惊穿胆弗趣赌妄个砰督臼蚂挖甜让妓鹊远齿腕拎优懒驱鸦鞘宏撒现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线4.2 CAN的物理层 ISO 11898是一个使用CAN总线协议的汽车内高速通讯国际标准，这个标准的基本作用是定义了通讯链路的数据链路层和物理层，如图4.2所示物理层被细分成3个子层，它们分别是：l 物理信令位编码定时和同步l 物理媒体连接驱动器和接收器特性l 媒体相关接口总线连接器 收发器实现物理媒体连接子层。物理信令子层和数据链路层之间的连接是通过集成的协议控制器实现的，如：PCx82C200、SJA1000等

21、。而媒体相关接口负责连接传输媒体譬如将总线节点连接到总线的连接器，如：PCA82C250、TJA1050等收发器。 山疽磕凉弯窝昌恤苯亦屁滥变翱务革取请怀忙观梳铅择裸历曾皆育棉粳皿现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线图4.2 ISO11898标准数据链路层和物理层结构图 镊应浚瑞许六冷宵携姚赂蔗圣咏田霜店哆恶氯凑氮闷当费业荷拦状坷到迭现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线4.2 CAN的物理层4.2.1 CAN的网络拓扑4.2.2 CAN的媒体连接戳休怒喧耸瞩搭负凿床姿砚诀竖颅混腊篆窍搔条彭靡当艾狼氟宗墨卉埋谜现场总线与工业以太网CAN总线现场总线

22、与工业以太网CAN总线4.2.1 CAN的网络拓扑 CAN以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。其网络拓扑形式大多是总线型结构，拓扑示意图见图4.3。 节点1节点2节点3节点4CAN总线图4.3 CAN的总线型网CAN的网络拓扑动蛮薛巳肠篓眨革挝绽腆韧防赏羹邱傈士渤晋窿辑脉送铀引辕鸦掐涡赖俯现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线4.2.2 CAN的物理媒体连接 CAN总线物理层的物理媒体连接比较灵活，可以采用共地的单线式（汽车常用）、双线式、同轴电缆、双绞线、光缆等，理论上节点数目没有限制，实际可达1

23、10个。 电子信号在总线上会被信号线终端反射回来，避免信号的反射对节点正确读取总线电压非常重要。在总线的两个终端加上终端电阻以终结总线，可以避免信号反射。 CAN总线具有两种逻辑状态，隐性和显性。 隐性状态下，VCAN-H和VCAN-L被固定为平均电压电平，两者电压差为0。 显性状态下，VCAN-H和VCAN-L分别为3.5V和1.5V，两者差分电压大于2V。如图4.4所示。 纶庶觉献洱鱼铺昂砂氰蒂展蹬桅令哦隙蜀逛逮驶轩涵台淄夜伤镇饲妖翠道现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线隐性状态隐性状态显性状态图4.4 根据ISO 11898 的额定总线电平 锣岳袭兵藏瞅稀剥梳缠趾

24、抢混奉噎寅迪米概获馒袱鲸赤礼忌蚀静池猖执谗现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线4.3 CAN协议规范4.3.1 基本术语4.3.2 CAN的报文及结构4.3.3 CAN的位仲裁技术彤图娜匣来陇舱植绦馈猩圾到嫩郊庸一嫉倦洱长彼涂匆闰凰膝醇异兜辕肢现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线4.3 CAN协议规范 1.CAN规范中的对应ISO/OSI参考模型的网络层 CAN为串行通讯协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。CAN的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN。在汽车电子行业里，使用CAN连接发动机控制单元、传感器、防

25、刹车系统、等等，其传输速度可达1Mbit/s。同时，可以将CAN安装在卡车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等等，用以代替接线配线装置。 技术规范的目的是为了在任何两个CAN仪器之间建立兼容性。可是，兼容性有不同的方面，比如电气特性和数据转换的解释。为了达到设计透明度以及实现灵活性，根据ISO/OSI参考模型，CAN 2.0规范细分为以下不同的层次：数据链路层和物理层(如图4.5所示)。 汲堕圭养缴贞里讽伏疤八妙罚菊声谗橱翟盗或绷疵纯英攘冰断绸塘堑炕磺现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线接收滤波数据链路层逻辑链路控制子层(LLC)超载通知恢复管理媒体访问控制子层

26、（MAC）数据封装/拆装帧编码媒体访问管理错误检测出错标定应答串行化/解除串行化故障界定物理层 位编码/解码 位定时同步驱动器/接收器特性总线故障管理图4.5 CAN协议分层结构和功能尽讼塑曙谁吝将甜德占袁呜屑鸯挺苗测矮膳浸舜孩采内社长浸姆躬势序耻现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 在以前版本的CAN规范中，数据链路层的LLC子层和MAC子层的服务及功能分别被解释为“对象层”和“传输层”。 逻辑链路控制子层(LLC)的作用范围如下： 为远程数据请求以及数据传输提供服务。 确定由实际要使用的LLC子层接收哪一个报文。 为恢复管理和过载通知提供手段。 在这里，定义对象处理

27、较为自由。MAC子层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。总线上什么时候开始发送新报文及什么时候开始接收报文，均在MAC子层里确定。位定时的一些普通功能也可以看作是MAC子层的一部分。理所当然，MAC子层的修改是受到限制的。 枢绒簇哥谤肉溢排系丁质捆疯佑跳讽蹿九序摩爬扒快疚苹蓉台实涸铝提癌现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。同一网络的物理层对于所有的节点当然是相同的。尽管如此，在选择物理层方面还是很自由的。 这本技术规范的目的是定义数据链路层中MAC子层和一小部分

28、LLC子层，以及定义CAN协议于周围各层当中所发挥的作用）。 2基本概念 CAN具有以下的属性： 报文的优先权 保证延迟时间 设置灵活 时间同步的多点接收挽歉慨砌泰萝窿伺科质稼搐之春蜡攫槛首斧成蹄役龋虾咬战套檄嗽几凹恼现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 系统内数据的连贯性 多主机 错误检测和错误标定 只要总线一处于空闲，就自动将破坏的报文重新传输 将节点的暂时性错误和永久性错误区分开来，并且可以自动关闭由OSI参考模型分层CAN结构的错误的节点。 依据ISO/OSI参考模型的层结构具有以下功能: 物理层定义信号是如何实际地传输的，因此涉及到位时间、位编码、同步的解释。

29、本技术规范没有定义物理层的驱动器/接收器特性，以便允许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 MAC 子层是CAN协议的核心。它把接收到的报文提供给LLC子层，并接收来自LLC子层的报文。MAC子层负责报文哇佳姜痘加挖臀厉攫览甫垫狄余蓄廊妇育坦臻赃妆寻赖茨影颖竭米侩肝孪现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。MAC子层也被称作故障界定的管理实体监管。此故障界定为自检机制，以便把永久故障和短时扰动区别开来。 LLC子层涉及报文滤波、过载通知、以及恢复管理。稻廊鞘釜暂猎躇狱掂粕辗牛椎铆盈迫肺灿锡舍峨悍碗钦似室栅启夏谅吱哥现场总线与工业

30、以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线4.3.1 基本术语 1报文 总线上的报文以不同的固定报文格式发送，但长度受限。当总线空闲时任何连接的单元都可以开始发送新的报文。 2信息路由 在CAN 系统里，CAN 的节点不使用任何关于系统配置的报文（比如，节点地址）。这样不用依赖应用层以及任何节点软件和硬件的改变，就可以在CAN 网络中直接添加节点。提高系统灵活性。报文的内容由识别符命名。识别符不指出报文的目的地，但解释数据的含义。因此，网络上所有的节点可以通过报文滤波确定是否应对该数据做出反应。由于引入了报文滤波的概念，任何节点都可以接收报文，并与此同时对此报文做出反应。为确保报文在CAN

31、 网络里同时被所有的节点接收（或同时不被接收）。因此，系统的数据连贯性是通过多播和错误处理的原理实现的。尝矩勇府斌寒旨徊渗挛茫茂瞻文藕桐茄跺窿士芬忙吻晕掣蹋儒亥糯输阮顷现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 3位速率 不同的系统，CAN 的速度不同。在一个给定的系统里，位速率是唯一的，并且是固定的。 4优先权 在总线访问期间，识别符定义一个静态的报文优先权。 5远程数据请求 通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的数据帧。数据帧和相应的远程帧是由相同的识别符命名的。 6仲裁 只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文。具有较高优先权报文的单元可以获得总线访问

32、权。如果2个或2个以上的单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。当铺嫡无涵畸派恳汉患陪埋韩付晋堂糟再宜接莽蜗两莫挟吕啪故题涪疽冀现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当具有相同识别符的数据帧和远程帧同时初始化时，数据帧优先于远程帧。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。如果发送的是一“隐性”电平而监视的是一“显性”电平（见总线值），那么单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。 7错误检测 为了获得最安全的数据发送，CAN 的每一个节点均采取了强有力的措施以便于错误检测

33、、错误标定及错误自检。 要进行检测错误，必须采取以下措施： 监视（发送器对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较） 循环冗余检查厉憋年熟澡贤正历全啦媚掩峦盈嚎伏退惭哼扦逻狸溺匿桓栏喘肖成茎友咆现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 位填充 报文格式检查 错误检测的执行错误检测的机制要具有以下的属性： 检测到所有的全局错误 检测到发送器所有的局部错误 可以检测到报文里多达5个任意分布的错误 检测到报文里长度低于15（位）的突发性错误 检测到报文里任一奇数个的错误 错误标定和恢复时间 任何检测到错误的节点会标志出损坏的报文。此报文会失效并将自动地开始重新传送。如果不再出现错误

34、的话，从检测穷臀增塌琶填芝充直誉赠掩嗓李挥碟搭糕雹忻铺嚏例播捷炽稍瘦撰羊抿绳现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线到错误的节点会标志出损坏的报文。此报文会失效并将自动地开始重新传送。如果不再出现错误的话，从检测到错误到下一报文的传送开始为止，恢复时间最多为31个位的时间。 8故障界定 CAN 节点能够把永久故障和短暂扰动区别开来。故障的节点会被关闭。 9总线值 总线有二个互补的逻辑值：“显性”或“隐性”。“显性”位和“隐性”位同时传送时，总线的结果值为“显性”。比如，在总线的“写与”执行时，逻辑0代表“显性”等级，逻辑1代表“隐性”等级。 10应答 所有的接收器检查报文的

35、连贯性。对于连贯的报文，接收器应答，对于不连贯的报文，接收器作出标志。 搁坍移塌拘撂俯皋帜棉率颊嫡迢儿裔绣跑瑚幅脂江吹吏猿袁峻抨炉凹赎先现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线4.3.2 CAN的报文及结构 在总线上的任意节点均可以作为发送器或接收器，那么我们就将发出报文的节点叫发送器，该节点在总线空闲或丢失仲裁前始终为发送器。如果一个节点不是发送器，且总线不是处于空闲状态，则该节点就叫接收器。报文由一个发送器发出，再由一个或多个接收器接收。 报文传输由4个不同类型的帧表示和控制： 数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器。总线上传输的大多是这个帧。 远程帧：由总线单元发出，

36、请求发送具有同一识别符的数据帧。数据帧（或远程帧）通过帧间空间与其他各帧分开。 错误帧：任何单元一但检测到总线错误就发出错误帧。 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。 设晌浦骏氛汤幢馒碉坐辩柬风东怎喊谨昧气搅旭疹淮私抬讹想眶溜混亢椿现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线1数据帧 数据帧由7个不同的位场组成：帧起始（Stsrt of Frame）、仲裁场（Arbitration Frame）、控制场（Control Frame）、数据场（DataFrame）、CRC 场（CRC Frame）、应答场（ACK Frame）、帧结尾（End

37、 of Frame）。数据场的长度可以为0。CAN 2.0A数据帧的组成如图4.6所示。 图4.6 数据帧的组成灰妆霜敬霓恫邢宁瞅礼紊吭刨藻梢钟瓦盆赶荣塌江沙锄冀鸵夜篷瞪扫份讫现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 帧起始 帧起始（SOF）标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个“显性”位组成。只在总线空闲时才允许站开始发送。所有站必须同步于首先开始发送报文的站的帧起始前沿。 仲裁场 仲裁场包括识别符和远程发送请求位（RTR ）。见图4.7仲裁场结构示意图图4.7 仲裁场结构示意图塑廉昼巫喉鹅掣章您览先送掂入矣捆苛窿往子女护村熙幕品苟泛拯盎谍蹄现场总线与工业以太网CAN总线现场

38、总线与工业以太网CAN总线图4.8 标准格式数据帧与扩展格式数据帧的仲裁场图4.8 标准格式数据帧与扩展格式数据帧的仲裁场 廓犁续茸逐修递厩凿恢织询栋遍糟猎乐伞饥持塔荒酪到勤咳摊凸还寝语矢现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 识别符： 标准格式识别符的长度为11位，相当于扩展格式的基本ID（Base ID）。这些位按ID-28到ID-18的顺序发送。最低位是ID-18。7个最高位（ID-28-ID-22）必须不能全是“隐性”。 扩展格式识别符和标准格式形成对比，参见图4.8标准格式数据帧与扩展格式数据帧的仲裁场比较，扩展格式由29位组成。其格式包含两个部分：11位基本I

39、D、18位扩展ID。基本ID包括11位，它按ID-28到ID-18的顺序发送。它相当于标准识别符的格式。基本ID定义扩展帧的基本优先权。扩展ID：扩展ID包括18位。它按ID-17到ID-0顺序发送。 标准帧里，识别符其后是RTR位。 RTR位： RTR的全称为“远程发送请求位（Remote Transmission Request BIT）”。拦棺懊初摄育邮蛙辨肪舰押衙庭朗损剑职辉欢耐晓鸿款柠犬世云傈屋丧贸现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 SRR是一隐性位。它在扩展格式的标准帧RTR位位置，因此代替标准帧的RTR位。 因此，标准帧与扩展帧的冲突是通过标准帧优先于扩

40、展帧这一途径得以解决的，扩展帧的基本ID如同标准帧的识别符。 IDE位： IDE的全称是“识别符扩展位（Identifier Extension Bit）”标准格式里的IDE位为“显性”，而扩展格式里的IDE位为“隐性”。 控制场 控制场由6个位组成。如图4.9所示。图4.9 控制场示意图挨神米轿满像桂哀尊潘杏贰粗涂陷峭渍状匆晋森算脓吨轴淑模就演枉选遂现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线表4.1 数据长度代码表 数据字节数 数据长度代码 DLC DLC DLC DLC0 0dddd1dddr2ddrd3ddrr4drdd5drdr6drrd7drrr8rddd 标准格式

41、里的帧包括数据长度代码、IDE位（为显性位）、及保留位r0。扩展格式里的帧包括数据长度代码和两个保留位：r1和r0。 保留位：必须发送为显性，但是接收器认可“显性”和“隐性”位的组合。 数据长度代码：数据长度代码指示了数据场里的字节数量。数据长度代码为4个位，它在控制场里发送。数据长度代码中数据字节数的编码 缩写：d“显性” r“隐性” 纠逸谊痔谱嗅盐楼堪惊钻蛀感就仙篡留酱敢瘫筒幅羔擅枫倪寿杏眶烂牢爽现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 数据帧允许的数据字节数：0，1，.，7，8。 其他的数值不允许使用。 数据场 数据场由数据帧里的发送数据组成。它可以为08个字节，每字

42、节包含了8个位，首先发送MSB。 CRC场（见图4.10） CRC场包括CRC序列（CRC SEQUENCE），和CRC界定符（CRC DELIMITER）。 CRC序列： CRC序列是由循环冗余码求得的帧检查序列组成，最适用于位数低于127位BCH码的帧。为进行CRC计算，被除的多项式系数由无填充位流给定，组成这些位流的成分是：帧起始、仲裁场、控制场、数据场（假如有），而15个最低位的系数是0。将此多项式被下面的多项式发生器除（其系数以2为模）： X15+X14+X10+X8+X7+X4+X3+1鲁蝴倒羊卤眷散斡摇花运诸察丫戳喂抹谩类各肄竿梗悦掉们汾浮股永烈潍现场总线与工业以太网CAN总线现

43、场总线与工业以太网CAN总线这个多项式除法的余数就是发送到总线上的CRC序列。图4.10 CRC场示意图 CRC 界定符 CRC 序列之后是CRC 界定符，它包含一个单独的“隐性”位。 应答场 应答场长度为2个位，包含应答间隙（ACK SLOT）和应答界定符（ACK DELIMITER）。见图4.11。图4.11 应答场示意图廓徽喷闯厦父瓜扦蕴返衣掺姨晓萧昧冤箔土涯霞身奎五佯聋接害鼻帅脂栗现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 在应答场里，发送站发送两个“隐性”位。当接收器正确地接收到有效的报文，接收器就会在应答间隙（ACK SLOT）期间（发送ACK信号）向发送器发送一

44、“显性”位以示应答。 应答间隙 所有接收到匹配CRC 序列（CRC SEQUENCE）的站会在应答间隙（ACK SLOT）期间用一“显性”的位写入发送器的“隐性”位来作出回答。 应答界定符 应答界定符是应答场的第二个位，并且是一个必须为“隐性”的位。因此，应答间隙（ACK SLOT）被两个“隐性”的位所包围，也就是CRC界定符（CRC DELIMITER）和应答界定符（ACK DELIMITER）。 帧结尾 每一个数据帧和远程帧均由一标志序列定界。这个标志序列由7个“隐性”的位组成。 因蒋了荚伸琳凸敏胎跌烈奥选纯疏肋渝找融黄鹏接粹疥造绝治铝引际浸域现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以

45、太网CAN总线 2. 远程帧 通过发送远程帧，作为某数据接收器的站可以初始化通过其资源节点传送不同的数据。 远程帧也有标准格式和扩展格式，而且都由帧起始、仲裁场、控制场、CRC 场、应答场、帧结尾等6个不同的位场组成（如图4.12所示）。 与数据帧相反，远程帧的RTR位是“隐性”的。它没有数据场，数据长度代码的数值是不受制约的（可以标注为容许范围里0.8的任何数值）。此数值是相应于数据帧的数据长度代码。 RTR位的极性表示了所发送的帧是一数据帧（RTR位“显性”）还是一远程帧（RTR“隐性”）。块恕见憨午空诽寒士礼劳伺毁受获庇姿道翱满藕范臭肚捅微扦瞒臣弯架絮现场总线与工业以太网CAN总线现场总

46、线与工业以太网CAN总线图4.12 远程帧的组成 3.错误帧 错误帧由两个不同的场组成（如图4.13所示）。第一个场用是不同站提供的错误标志（ERROR FLAG）的叠加。第二个场是错误界定符。 为了能正确地终止错误帧，“错误被动”的节点要求总线至少有长度为3个位时间的总线空闲（如果“错误被动”的接收器有局部错误的话）。因此，总线的载荷不应为100%。 笋其槛盗宜辑惶寄粮垣长怔暗逛如甚禄哦绞稠比懂炭绍卓亥歪羞在双饲瞳现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线图4.13 错误帧的组成 错误标志 有两种形式的错误标志：主动的错误标志和被动的错误标志。 1. 主动的错误标志由6个连

47、续的“显性”位组成。 2. 被动的错误标志由6个连续的“隐性”的位组成，除非 其他节点的“显性”位重写。 检测到错误条件的“错误激活”的站通过发送主动错误标志指示错误。腥盛乍病订侧屿贯勤凸秘蛾民间忘弟胜郊授索还榆拳汐劲魔讼纱贵浓卫撼现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 错误标志的形式破坏了从帧起始到CRC界定符的位填充的规则，或者破坏了ACK场或帧结尾场的固定形式。所有其他的站由此检测到错误条件并与此同时开始发送错误标志。因此，“显性”位（此“显性”位可以在总线上监视）的序列导致一个结果，这个结果就是把个别站发送的不同的错误标志叠加在一起。这个序列的总长度最小为6个位，

48、最大为12个位。 检测到错误条件的“错误被动”的站试图通过发送被动错误标志指示错误。“错误被动”的站等待6个相同极性的连续位（这6个位处于被动错误标志的开始）。当这6个相同的位被检测到时，被动错误标志的发送就完成了。 错误界定符 错误界定符包括8个“隐性”的位。 质梆铭包皂值逃读泊藉娄詹垃标驰耳纵时碟汕籽扼娜勉滩罢籽亡妙谅苑咏现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 4. 过载帧 过载帧包括两个位场：过载标志和过载界定符（如图4.14所示）。 有三种过载的情况，这三种情况都会引发过载标志的传送： 1.接收器的内部情况（此接收器对于下一数据帧或远程帧需要有一延时）。 2.在间

49、歇的第一和第二字节检测到一个“显性”位。 3.如果CAN节点在错误界定符或过载界定符的第8位（最后一位）采样到一个显性位，节点会发送一个过载帧（不是错误帧）。错误计数器不会增加。 根据过载情况1而引发的过载帧只允许起始于所期望的间歇的第一个位时间，而根据情况2和情况3引发的过载帧应起始于所检测到“显性”位之后的位。 通常为了延时下一个数据帧或远程帧，两种过载帧均可产生。 盛袱隐脯气亡鸳庶壤蝉荣炙砧私幕溺蜀感杆唁拄抓叙扒短妥服衰茶椽槛燃现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线图4.14 过载帧的组成 过载标志： 过载标志由6个“显性”的位组成。过载标志的所有形式和主动错误标志

50、的一样。 过载标志的形式破坏了间歇场的固定形式。因此，所有其他的站都检测到过载条件并与此同时发出过载标志。如果有的节点在间歇的第3个位期间检测到“显性”位，则这个位将解释为帧的起始。 窿亥询伪昧珍撒狮魏丹坯妻侗潦芥坤衡软曲啤苏筹阐怜矗剑沃脱蕾余炭谚现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 过载界定符（Overload Delimeter） 过载界定符包括8个“隐性”的位。过载界定符的形式和错误界定符的形式一样。过载标志被传送后，站就一直监视总线直到检测到一个从“显性”位到“隐性”位的跳变。此时，总线上的每一个站完成了过载标志的发送，并开始同时发送其余7个“隐性”位。5. 帧

51、间空间 帧间空间是用于隔离数据帧（或远程帧）与先行帧（数据帧、远程帧、错误帧、过载帧）的。而过载帧与错误帧之前没有帧间空间，多个过载帧之间也不用帧间空间隔离。帧间空间包括间歇场、总线空闲的位场。如果“错误被动”的站已作为前一报文的发送器时，则其帧空间除了间歇、总线空闲外，还包括称作挂起传送的位场。怎脉伙庙坍烬焰瘸图浇颗衡知魁掺幻炭辕囊液乓架硅酸纵杖仔疽社直裂晚现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线间歇 间歇包括3个“隐性”的位。间歇期间，所有的站均不允许传送数据帧或远程帧，唯一要做的是标示一个过载条件。总线空闲 总线空闲的时间是任意的。只要总线被认定为空闲，任何等待发送报

52、文的站就会访问总线。在发送其他报文期间，有报文被挂起，对于这样的报文，其传送起始于间歇之后的第一个位。总线上检测到的“显性”的位可被解释为帧的起始。挂起传送 “错误被动”的站发送报文后，站就在下一报文开始传送之前或总线空闲之前发出8个“隐性”的位跟随在间歇的后面。如果与此同时另一站开始发送报文（由另一站引起），则此站就作为这个报文的接收器。妖盒阉舜捆悟耻鲁楞酌镇砍帜蔫漆癣闲细帽以足傍蜗漫婚五牧尹颧潘狰慑现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线4.3.3 CAN的位仲裁技术 要对数据进行实时处理，就必须将数据快速传送，这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。在几个站同时需要发

53、送数据时，要求快速地进行总线分配。 CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。 如图4.15所示，当几个站同时发送报文时，站1的报文标识符为0111110000；站2的报文标识符为01001100000；站3的报文标识符为01001110000。圭沧讯烁沂看沂撂砸秒斋盟身缮善颧椿烃馏鼎承舀粥疮颧牌琉犀痕栅枪忍现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线站3报文站1报文站2报文01111110000报文标识符01001100000

54、010011100001丢掉0100110000001001110000101001100000丢掉跟踪图4.15 位仲裁示意图 所有标识符都有相同的两位01，直到第3位进行比较时，站1的报文被丢掉，因为它的第3位为高，而其它两个站的报文第3位为低。站2和站3报文的4、5、6位相同，直到第7位时，站3的报文才被丢失。芽池褪堡救躺谷铭宋姓业裙秘晚宅马忧观埔啦毕保得语逮姜楼琴甜疮硕锤现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 注意，总线中的信号持续跟踪最后获得总线读取权的站的报文。在此例中，站2的报文被跟踪。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于，在网络最终确定哪一个站的报文被传送以前

55、，报文的起始部分已经在网络上传送了。所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站，并且不会在总线再次空闲前发送报文。 CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用，这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。这种方法在网络负载较重时有很多优点，因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了，这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间对于主站的可靠性，由于CAN协议执行非集中化总线控制，所有主要通信，包括总线读取(许可)控制，在系统中分几次完成。这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法 瞩蓬敷堪槽拍坟但迢所厦撅休藻凉渺筷捕靴矢缺憋糯垃烃陵虐伦赔耙洲晚现场总线

56、与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线4.4 典型CAN总线器件及应用4.4.1 SJA1000 CAN控制器4.4.2 PCA82C250 CAN 收发器4.4.3 CAN BUS节点设计举例典啄聂晦菏节接价鸽吧锈旱较谁爆机链遂涪穷屉莫佯埂颗及山笆玛玻樊拳现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线4.4 典型CAN总线器件及应用 4.4.1 SJA1000 CAN控制器 SJA1000是一个独立的CAN控制器，它在汽车和普通的工业应用上有先进的特征。由于它和PCA82C200在硬件和软件都兼容，因此它将会替代PCA82C200，SJA1000有一系列先进的功能

57、，适合于多种应用特别在系统优化诊断和维护方面非常重要。 SJA1000在软件和引脚上都是与它的前一款PCA82C200独立控制器兼容的。在此基础上它增加了很多新的功能，为了实现软件兼容，SJA1000独立的CAN控制器有2个不同的操作模式：1 BasicCAN模式：和PCA82C200兼容。BasicCAN模式是上电后默认的操作模式，因此用PCA82C200开发的已有硬件和软件，可以直接在SJA1000上使用而不用作任何修改。 杜翻研来凡挞钒课衡芜蝎辑父救罩芍放帐湿厄知炙渠杭控涡岿激偿肇二很现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 2 PeliCAN模式：是新的操作模式。它

58、能够处理所有CAN2.0B规范的帧类型。而且它还提供一些增强功能，使SJA1000能应用于更宽的领域。 工作模式通过时钟分频寄存器中的CAN模式位来选择，复位时默认模式是Basic CAN模式。SJA1000控制器结构 SJA1000控制器可以分为CAN核心模块、接口管理逻辑、发送缓冲器、验收滤波器、接收FIFO等五个功能模块，SJA1000控制器结构图如图4.16所示。由主控制器进行管理控制、将欲收发的信息（报文），转换为CAN规范的CAN帧，通过CAN收发器，在CAN BUS上交换信息。 漂须跟携鹏虽叼糯爪绷檄饭馋聚蹲厅蚜由吠乘馅窒官臃娩签嘱焉终探遣柞现场总线与工业以太网CAN总线现场总线

59、与工业以太网CAN总线CAN BUSCAN核心模块发送缓冲器接口管理逻辑接收FIFO验收滤波器主控制器CAN收发器图4.16 SJA1000 控制器结构图朵异宅毖自撇夺疤矮此棕傍耐论伍邑娶窖通荒帅磁捷夯鸥煌灿衷贴煌嗜未现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线 CAN核心模块：根据CAN规范控制CAN帧的发送和接收。收到一个报文时，CAN核心模块将串行位流转换成用于的并行数据，发送一个报文时则相反。 接口管理逻辑：用于连接外部主控制器。外部可以是微型控制器或任何其他器件，SJA1000通过复用的地址/数据总线，与主控制器联系。 发送缓冲器：用于存储一个完整的扩展的或标准的报文

60、。当主控制器初始发送时，接口管理逻辑会使CAN核心模块从发送缓冲器读CAN报文。 验收滤波器：通过这个可编程的滤波器能确定主控制器要接收哪些报文。 接收FIFO：用于存储所有收到的报文，储存报文的多少由工作模式决定，最多能存储32个报文。因为数据超载可能性被大大降低，这使用户能更灵活地指定中断服务和中断优先级。 SJA1000控制器功能框图CAN 控制模块SJA1000功能框图如图4.17所示，由以下部分组成 厅飘鞠往焰析嫩球繁承媚抹标嘘享毯减誓抄榨牧世夕暴旧晃焦汤镣持所耽现场总线与工业以太网CAN总线现场总线与工业以太网CAN总线图4.17 SJA1000 控制器功能框图跋融沾惜氦桩统箭弯缆