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發(fā)表于 2016-9-21 22:01:37
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CAN總線簡單講用四根線實現(xiàn)通訊，+/-兩根，高地位兩根，四根線可多個元件共享，德國發(fā)明，用在汽車制造
6 Y4 Q0 w+ L( C, Y3 L, J3 c( }CAN總線 是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過多個LAN，進行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議。此后，CAN 通過ISO11898 及ISO11519 進行了標(biāo)準(zhǔn)化，在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。6 O9 y: m& U1 N: m( K
CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術(shù)支持。
3 P7 U7 r3 v0 D! {; v優(yōu)勢編輯
/ e- Y- O, [7 a3 S0 JCAN屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。較之許多RS-485基于R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：9 W! E. r- m+ _' ]+ C2 q
網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強1 e2 I9 C! q. o- [! C6 q: k# H
首先，CAN控制器工作于多種方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)（取決于報文標(biāo)識符）采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差；
6 a* _- h/ n2 L: \5 s+ b+ l開發(fā)周期短
& w o5 G" X4 |4 \5 M! @3 M7 t& _CAN總線通過CAN收發(fā)器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會在出現(xiàn)在RS-485網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)象，即當(dāng)系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。而且，CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的。" W2 Y$ \" a. T) e$ O. V/ o" o9 w- u
已形成國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線1 d# x$ x3 [7 y- u2 `1 U
另外，與其它現(xiàn)場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。這些也是CAN總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。
& t1 Z" P: h/ O( W9 ]最有前途的現(xiàn)場總線之一
5 T" w6 }& n, ]: SCAN 即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇。與一般的通信總線相比,CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設(shè)計，CAN總線越來越受到人們的重視。它在汽車領(lǐng)域上的應(yīng)用是最廣泛的，世界上一些著名的汽車制造廠商，如BENZ（奔馳）、BMW（寶馬）、PORSCHE（保時捷）、ROLLS-ROYCE（勞斯萊斯）和JAGUAR（捷豹）等都采用了CAN總線來實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。同時，由于CAN總線本身的特點，其應(yīng)用范圍已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。其典型的應(yīng)用協(xié)議有：SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。
I% V) A5 h/ y* C4 b1 \7 A X發(fā)展編輯
; K' V' f' z8 J1 [& n: Z: ~控制器局部網(wǎng)（CAN－CONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)域推出的一種多主機局部網(wǎng)，由于其高性能、高可靠性、實時性等優(yōu)點現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門?？刂破骶植烤W(wǎng)將在中國迅速普及推廣。0 I3 n: p. j5 {( N+ N, W, _! L8 }
隨著計算機硬件、軟件技術(shù)及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)已成為計算機技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最具活力的一個分支，并取得了巨大進步。由于對系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)為：控制面向多元化，系統(tǒng)面向分散化，即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。( z6 F! K4 ~, B4 T: N
分散式工業(yè)控制系統(tǒng)就是為適應(yīng)這種需要而發(fā)展起來的。這類系統(tǒng)是以微型機為核心，將 5C技術(shù)--COMPUTER（計算機技術(shù)）、CONTROL（自動控制技術(shù)）、COMMUNICATION（通信技術(shù)）、CRT（顯示技術(shù)）和 CHANGE（轉(zhuǎn)換技術(shù)）緊密結(jié)合的產(chǎn)物。它在適應(yīng)范圍、可擴展性、可維護性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統(tǒng)和集中型計算機控制系統(tǒng)都具有明顯的優(yōu)越性。
_ v# A, q# C3 |典型的分散式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備、接口與計算設(shè)備以及通信設(shè)備組成?，F(xiàn)場總線（FIELDBUS）能同時滿足過程控制和制造業(yè)自動化的需要，因而現(xiàn)場總線已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中最為活躍的一個領(lǐng)域。現(xiàn)場總線的研究與應(yīng)用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域的熱點。盡管對現(xiàn)場總線的研究尚未能提出一個完善的標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)場總線的高性能價格必將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。同時，正由于現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)場總線的應(yīng)用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場總線的完善提供更加豐富的依據(jù)?？刂破骶植烤W(wǎng) CAN（CONTROLLER AERANETWORK）正是在這種背景下應(yīng)運而生的。7 M' |1 l3 w$ Z$ |' ]5 a( v! o! ^- H4 n
由于CAN為愈來愈多不同領(lǐng)域采用和推廣，導(dǎo)致要求各種應(yīng)用領(lǐng)域通信報文的標(biāo)準(zhǔn)化。為此，1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制訂并發(fā)布了 CAN技術(shù)規(guī)范（VERSION 2.0）。該技術(shù)規(guī)范包括A和B兩部分。2.0A給出了曾在CAN技術(shù)規(guī)范版本1.2中定義的CAN報文格式，能提供11位地址；而2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴展的兩種報文格式，提供29位地址。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運載工具--數(shù)字信息交換--高速通信控制器局部網(wǎng)（CAN）國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），為控制器局部網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。
! C, x3 a% }2 l$ p+ p9 M! Y特點編輯1 t+ w+ y( y$ i0 c
CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率最高可達1Mbps。3 K9 N. `% r/ j
完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理8 l: J1 g3 Y% r2 A, E6 b4 A6 x
CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。
. q% j! v8 l/ i @* Y* ~- L% ?$ S使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制
, _+ c- _: X5 A# QCAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識符可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義2或2個以上不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設(shè)計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。
3 D, m$ j( s0 H Z9 }可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信
1 L. F( `; j/ X# z( wCAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC AT XT兼容機上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。
$ W& q3 G0 i) I結(jié)構(gòu)簡單( R6 }4 F# c$ W
只有2根線與外部相連，并且內(nèi)部集成了錯誤探測和管理模塊。
* L# H' b4 x; B0 w: v j K傳輸距離和速率
' j, @ y4 a1 d+ Z; b6 BCAN總線特點：(1) 數(shù)據(jù)通信沒有主從之分，任意一個節(jié)點可以向任何其他（一個或多個）節(jié)點發(fā)起數(shù)據(jù)通信，靠各個節(jié)點信息優(yōu)先級先后順序來決定通信次序，高優(yōu)先級節(jié)點信息在134μs通信; (2) 多個節(jié)點同時發(fā)起通信時，優(yōu)先級低的避讓優(yōu)先級高的，不會對通信線路造成擁塞; (3) 通信距離最遠可達10KM(速率低于5Kbps)速率可達到1Mbps(通信距離小于40M）；（4) CAN總線傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜。CAN總線適用于大數(shù)據(jù)量短距離通信或者長距離小數(shù)據(jù)量，實時性要求比較高，多主多從或者各個節(jié)點平等的現(xiàn)場中使用。
1 u, K4 T3 M- r$ s( t# X技術(shù)介紹編輯) n* X t% G* G+ V2 f- c
位仲裁) x( }4 _1 p, @6 S2 E9 U
要對數(shù)據(jù)進行實時處理，就必須將數(shù)據(jù)快速傳送，這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，要求快速地進行總線分配。實時處理通過網(wǎng)絡(luò)交換的緊急數(shù)據(jù)有較大的不同。一個快速變化的物理量，如汽車引擎負載，將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數(shù)據(jù)并要求更短的延時。
" t+ x! a. e: `$ Y XCAN總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送，報文的優(yōu)先級結(jié)合在11位標(biāo)識符中，具有最低二進制數(shù)的標(biāo)識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設(shè)計時被確立后就不能再被更改。總線讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖2所示，當(dāng)幾個站同時發(fā)送報文時，站1的報文標(biāo)識符為011111；站2的報文標(biāo)識符為0100110；站3的報文標(biāo)識符為0100111。所有標(biāo)識符都有相同的兩位01，直到第3位進行比較時，站1的報文被丟掉，因為它的第3位為高，而其它兩個站的報文第3位為低。站2和站3報文的4、5、6位相同，直到第7位時，站3的報文才被丟失。注意，總線中的信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權(quán)的站的報文。在此例中，站2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點在于，在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪一個站的報文被傳送以前，報文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上傳送了。所有未獲得總線讀取權(quán)的站都成為具有最高優(yōu)先權(quán)報文的接收站，并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文。& u J0 y* c& \! j
CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用，這些請求是根據(jù)報文在整個系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡(luò)負載較重時有很多優(yōu)點，因為總線讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了，這可以保證在實時系統(tǒng)中較低的個體隱伏時間。
3 N; H' X: r1 Z# ?% F) [: l對于主站的可靠性，由于CAN協(xié)議執(zhí)行非集中化總線控制,所有主要通信，包括總線讀取 （許可）控制，在系統(tǒng)中分幾次完成。這是實現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。
5 a5 e4 m A7 t5 |CAN與其它通信方案的比較
% K5 E: s) J4 O( s M: r在實踐中，有兩種重要的總線分配方法：按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中，不管每個節(jié)點是否申請總線，都對每個節(jié)點按最大期間分配。由此，總線可被分配給每個站并且是唯一的站，而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。這將保證在總線存取時有明確的總線分配。在第二種方法中，總線按傳送數(shù)據(jù)的基本要求分配給一個站，總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配（如：EthernetCSMA/CD）。因此，當(dāng)多個站同時請求總線存取時，總線將終止所有站的請求，這時將不會有任何一個站獲得總線分配。為了分配總線，多于一個總線存取是必要的。* P; e r. I B
CAN實現(xiàn)總線分配的方法，可保證當(dāng)不同的站申請總線存取時，明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當(dāng)兩個站同時發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的碰撞問題。不同于Ethernet網(wǎng)絡(luò)的消息仲裁，CAN的非破壞性解決總線存取沖突的方法，確保在不傳送有用消息時總線不被占用。甚至當(dāng)總線在重負載情況下，以消息內(nèi)容為優(yōu)先的總線存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。雖然總線的傳輸能力不足，所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在CSMA/CD這樣的網(wǎng)絡(luò)中，如Ethernet，系統(tǒng)往往由于過載而崩潰，而這種情況在CAN中不會發(fā)生。& J8 M# Y) E" Y! q' @' Y
CAN的報文格式1 E2 L# `0 B+ _+ \' f
在總線中傳送的報文，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報文格式，其唯一的不同是標(biāo)識符（ID）長度不同，標(biāo)準(zhǔn)格式為11位，擴展格式為29位。
% g2 _: D H8 R7 ]7 [. v在標(biāo)準(zhǔn)格式中，報文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標(biāo)識符和遠程發(fā)送請求位 (RTR）組成的仲裁場。RTR位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀，在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。. t- u0 t$ d! _# m0 i+ |5 c8 N: z
控制場包括標(biāo)識符擴展位（IDE），指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro），為將來擴展使用。它的最后四個位用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度（DLC）。數(shù)據(jù)場范圍為0～8個字節(jié),其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC）。! b- V! {/ l3 a; {5 [, ^" H
應(yīng)答場（ACK）包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平（邏輯1），這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平（邏輯0）覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個站能正確接收到報文。( q% o, }" ^' o; \
報文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位，如果這時沒有站進行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。
( F3 A1 {8 y" G1 LCAN數(shù)據(jù)幀的組成
" P* C3 [. K6 ~, |5 u遠程幀8 c8 x( L/ T. Q, [/ g, g
遠程幀由6個場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。遠程幀不存在數(shù)據(jù)場。+ }$ k- C5 I9 k
遠程幀的RTR位必須是隱位。9 O1 p2 m6 G- \9 p, g* z+ q
DLC的數(shù)據(jù)值是獨立的，它可以是0～8中的任何數(shù)值，為對應(yīng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度。4 u1 t! J2 Q c
錯誤幀1 i4 \9 l* P: P
錯誤幀由兩個不同場組成，第一個場由來自各站的錯誤標(biāo)志疊加得到，第二個場是錯誤界定符
5 g' h) G9 A9 j1 [錯誤標(biāo)志具有兩種形式： n+ J2 A- |, g
活動錯誤標(biāo)志（Active error flag），由6個連續(xù)的顯位組成
- E# H+ A: t4 h. Q認(rèn)可錯誤標(biāo)志（Passive error flag），由6個連續(xù)的隱位組成$ [5 _6 g7 i6 d8 }. C
錯誤界定符包括8個隱位9 e6 {5 y9 r3 G- _
超載幀. ?+ M# R2 R4 \1 I: e
超載幀包括兩個位場：超載標(biāo)志和超載界定符/ w) U) H5 J" A5 P+ P
發(fā)送超載幀的超載條件：* A* n9 D9 d' P$ q# D% K# ~6 t& i
要求延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀
. X9 k, U5 o. @0 h在間歇場檢測到顯位/ N: w. W1 u; Q
超載標(biāo)志由6個顯位組成1 c: E: w. N; M# ?
超載界定符由8個隱位組成
6 s' H* d9 G+ N. V3 \數(shù)據(jù)錯誤檢測: u$ J) I# H) i' o* I$ A
不同于其它總線，CAN協(xié)議不能使用應(yīng)答信息。事實上，它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯誤的方法，其中前三種為基于報文內(nèi)容檢查。
3 M L0 l: B+ b1 ]3.4.1循環(huán)冗余檢查（CRC)7 `& g+ L) {- U5 X3 F t
在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。
: a$ k8 {- D1 M( ~6 ^( c3.4.2 幀檢查8 M: g. D/ N7 b- o
這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性，用于檢查格式上的錯誤。( w1 V1 Q# t7 f5 I& c
3.4.3.應(yīng)答錯誤
+ A0 O% U2 F: k) |如前所述，被接收到的幀由接收站通過明確的應(yīng)答來確認(rèn)。如果發(fā)送站未收到應(yīng)答，那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯誤，也就是說，ACK場已損壞或網(wǎng)絡(luò)中的報文無站接收。CAN協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯誤。$ x# {2 G6 b5 }) Z0 N0 `
3.4.4 總線檢測
% ]$ z/ t& k3 m) t. e4 f有時，CAN中的一個節(jié)點可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。因此，發(fā)送報文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。# O/ Q5 O& F4 q5 b# J" H/ W
3.4.5 位填充: }, I/ o7 S* k
一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示，可保證位編碼的最大效率。然而，如果在一幀報文中有太多相同電平的位，就有可能失去同步。為保證同步，同步沿用位填充產(chǎn)生。在五個連續(xù)相等位后，發(fā)送站自動插入一個與之互補的補碼位；接收時，這個填充位被自動丟掉。例如，五個連續(xù)的低電平位后，CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯誤，如果在一幀報文中有6個相同位，CAN就知道發(fā)生了錯誤。4 d% q$ E M2 l) |7 z
如果至少有一個站通過以上方法探測到 一個或多個錯誤，它將發(fā)送出錯標(biāo)志終止當(dāng)前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文，并保證網(wǎng)絡(luò)上報文的一致性。當(dāng)大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后，發(fā)送站會自動地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。作為規(guī)則，在探測到錯誤后23個位周期內(nèi)重新開始發(fā)送。在特殊場合，系統(tǒng)的恢復(fù)時間為31個位周期。
8 {8 A3 Z2 ]2 j5 U6 s但這種方法存在一個問題，即一個發(fā)生錯誤的站將導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)被終止，其中也包括正確的數(shù)據(jù)。因此,如果不采取自監(jiān)測措施，總線系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計。為此，CAN協(xié)議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區(qū)別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統(tǒng)計評估來確定一個站本身的錯誤并進入一種不會對其它站產(chǎn)生不良影響的運行方法來實現(xiàn)，即站可以通過關(guān)閉自己來阻止正常數(shù)據(jù)因被錯誤地當(dāng)成不正確的數(shù)據(jù)而被終止。
" w" {# l- k. S硬同步和重同步0 s9 Y; E- i9 l+ U8 \
硬同步只有在總線空閑狀態(tài)條件下隱形位到顯性位的跳變沿發(fā)生時才進行，表明報文傳輸開始。在硬同步之后，位時間計數(shù)器隨同步段重新開始計數(shù)。硬同步強行將已發(fā)生的跳變沿置于重新開始的位時間同步段內(nèi)。根據(jù)同步規(guī)則，如果某一位時間內(nèi)已有一個硬同步出現(xiàn)，該位時間內(nèi)將不會發(fā)生再同步。再同步可能導(dǎo)致相位緩沖段1被延長或相位緩沖段2被短。這兩個相位緩沖段的延長時間或縮短時間上限由再同步跳轉(zhuǎn)寬度（SJW）給定。$ b6 {1 Y& M- b' Q. R4 A: }
可靠性編輯5 s- U6 j ^; }, a6 Y6 j8 N; j1 {
為防止汽車在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)交換錯誤而對司機造成危險，汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃宰銐蚋?，或者殘留下來的?shù)據(jù)錯誤足夠低的話，這一目標(biāo)不難實現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看，可靠性可以理解為，對傳輸過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯誤的識別能力。% J5 I; W# q9 r4 N1 y2 R
殘余數(shù)據(jù)錯誤的概率可以通過對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計測量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯誤概率必須非常小，使其在系統(tǒng)整個壽命周期內(nèi)，按平均統(tǒng)計時幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠?qū)?shù)據(jù)錯誤進行分類，并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘余錯誤概率，我們可將殘留錯誤的概率作為具有80～90位的報文傳送時位錯誤概率的函數(shù)，并假定這個系統(tǒng)中有5～10個站，并且錯誤率為1/1000，那么最大位錯誤概率為10—13數(shù)量級。例如，CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率最大為1Mbps，如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用50%，那么對于一個工作壽命4000小時、平均報文長度為 80位的系統(tǒng)，所傳送的數(shù)據(jù)總量為9×1010。在系統(tǒng)運行壽命期內(nèi)，不可檢測的傳輸錯誤的統(tǒng)計平均小于10—2量級。換句話說，一個系統(tǒng)按每年365天，每天工作8小時，每秒錯誤率為0. 7計算，那么按統(tǒng)計平均，每1000年才會發(fā)生一個不可檢測的錯誤。[2] ; J& A6 P) x3 l) {
應(yīng)用舉例編輯
% ?) C; r$ r8 n& j% m! mCAN總線在工控領(lǐng)域主要使用低速-容錯CAN即ISO11898-3標(biāo)準(zhǔn)，在汽車領(lǐng)域常使用500Kbps的高速CAN。
) b K- c4 ?" d9 p$ D0 x& {某進口車型擁有，車身、舒適、多媒體等多個控制網(wǎng)絡(luò)，其中車身控制使用CAN網(wǎng)絡(luò)，舒適使用LIN網(wǎng)絡(luò)，多媒體使用MOST網(wǎng)絡(luò)，以CAN網(wǎng)為主網(wǎng)，控制發(fā)動機、變速箱、ABS等車身安全模塊，并將轉(zhuǎn)速、車速、油溫等共享至全車，實現(xiàn)汽車智能化控制，如高速時自動鎖閉車門，安全氣囊彈出時，自動開啟車門等功能。; A" _$ j% j! [. l3 R
CAN系統(tǒng)又分為高速和低速，高速CAN系統(tǒng)采用硬線是動力型，速度：500kbps，控制ECU、ABS等；低速CAN是舒適型，速度：125Kbps，主要控制儀表、防盜等。[3] 9 \4 u! p6 p) b$ n- p; k
某醫(yī)院現(xiàn)有5臺16T/H德國菲斯曼燃氣鍋爐，向洗衣房、制劑室、供應(yīng)室、生活用水、暖氣等設(shè)施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然氣1200萬m3，耗用20萬噸自來水。醫(yī)院采用接力式方式供熱，對熱網(wǎng)進行地域性管理，分四大供熱區(qū)。其中冬季暖氣的用氣量很大，據(jù)此設(shè)計了基于CAN現(xiàn)場總線的分布式鍋爐蒸汽熱網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)。現(xiàn)場應(yīng)用表明：該樓宇自動化系統(tǒng)具有抗干擾能力強，現(xiàn)場組態(tài)容易，網(wǎng)絡(luò)化程度高，人機界面友好等特點。
' L$ X& y) J* B% [+ A' B1 @; c優(yōu)點編輯
% W2 Z. q {! d4 c0 m+ e& q X; L廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼，可以多主方式工作；
* P2 Z/ k# S$ J% H H6 @ P4 K采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；3 }5 u8 Q- d* }0 ?% ?0 |4 K6 M
采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短；. p% G; B6 g+ z
每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕m于在高干擾環(huán)境下使用；
8 D4 o& m, Z' u* J \7 k5 _* x節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響；
& t ]. F3 v0 E5 m可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。
! C- ^; e" i4 ?( Y具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點；0 A( ~5 b# E3 T2 K G: `3 w% [: J
采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；
0 T& h3 b9 a4 Z% x$ l* q0 A具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-Bus上，形成多主機局部網(wǎng)絡(luò)；
r" J& x3 v, \$ Y. q3 t- n" X- P可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文；
3 u) A; L$ t" u5 X! `3 w+ e& X" x可靠的錯誤處理和檢錯機制；0 `* g- w: s( _
發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；" v& V @ L0 X/ u( }, f1 @
節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能；
. N6 y: J' M, n# U) d0 h報文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。
( Y3 H5 K+ i6 n1 ~# q3 W/ t測試工具編輯! f- A/ b5 o2 n9 T
CAN總線多用于工控和汽車領(lǐng)域，在CAN總線的開發(fā)測試階段，需要對其拓撲結(jié)構(gòu)，節(jié)點功能，網(wǎng)路整合等進行開發(fā)測試，需要虛擬、半虛擬、全實物仿真測試平臺，并且必須測試各節(jié)點是否符合ISO11898中規(guī)定的錯誤響應(yīng)機制等，所以CAN總線的開發(fā)需要專業(yè)的開發(fā)測試工具，并且在生產(chǎn)階段也需要一批簡單易用的生產(chǎn)線測試工具。CAN總線開發(fā)測試工具的主要供應(yīng)商有ZLG、Passion IXXAT、IHR、Vector、Intrepidcs、Passion Warwick、LAIKE等。常用的開發(fā)測試工具如CANScope、CANalyst-II、Passiontech DiagRA、canAnalyser、X-Analyser、AutoCAN、CANspider，LAIKE CANTest等。! |4 X0 O: f1 O' y) G9 g2 b
錯誤處理編輯
4 V( V9 f6 L: C1 M/ O0 t. h3 E在CAN總線中存在5種錯誤類型，它們互相并不排斥，下面簡單介紹一下它們的區(qū)別、產(chǎn)生的原因及處理方法。1 @( ?9 ~9 s$ x/ H# I
位錯誤:向總線送出一位的某個節(jié)點同時也在監(jiān)視總線，當(dāng)監(jiān)視到總線位的電平和送出的電平不同時，則在該位時刻檢測到一個位錯誤。但是在仲裁區(qū)的填充位流期間或應(yīng)答間隙送出隱性位而檢測到顯性位時，不認(rèn)為是錯誤位。送出認(rèn)可錯誤標(biāo)注的發(fā)送器，在檢測到顯性位時也不認(rèn)為是錯誤位。
# N5 k. X. Q8 u$ i/ i$ `9 f+ X/ |填充錯誤:在使用位填充方法進行編碼的報文中，出現(xiàn)了第6個連續(xù)相同的位電平時，將檢 測出一個填充錯誤。
5 C% O( A4 D; A7 ?6 ICRC錯誤:CRC序列是由發(fā)送器CRC計算的結(jié)果組成的。接收器以和發(fā)送器相同的方法計算CRC。如果計算的結(jié)果和接收到的CRC序列不同，則檢測出一個CRC錯誤。" ]2 }) l) e# \+ W. y
形式錯誤: 當(dāng)固定形式的位區(qū)中出現(xiàn)一個或多個非法位時，則檢測到一個形式錯誤。
3 E2 {. s5 c) R應(yīng)答錯誤:在應(yīng)答間隙，發(fā)送器未檢測到顯性位時，則由它檢測出一個應(yīng)答錯誤。! Z( n. B% e) O" Y" E5 }
檢測到出錯條件的節(jié)點通過發(fā)送錯誤標(biāo)志進行標(biāo)定。當(dāng)任何節(jié)點檢測出位錯誤、填充錯誤、形式錯誤或應(yīng)答錯誤時，由該節(jié)點在下一位開始發(fā)送出錯誤標(biāo)志。
$ z8 ]. `1 k( j) ]# V當(dāng)檢測到CRC錯誤時。出錯標(biāo)志在應(yīng)答界定符后面那一位開始發(fā)送．除非其他出錯條件的錯誤標(biāo)志已經(jīng)開始發(fā)送。
! a( V+ |, v8 V3 o% ?在CAN總線中，任何一個單元可能處于下列3種故障狀態(tài)之一：錯誤激活狀態(tài)（ErrorActive）、錯誤認(rèn)可狀態(tài)（Error Passitive）和總線關(guān)閉狀態(tài)（Bus off）。* b% n7 c1 m6 q7 h8 L9 w( }( E
錯誤激活單元可以照常參和總線通信，并且當(dāng)檢測到錯誤時，送出一個活動錯誤標(biāo)志。錯誤 認(rèn)可節(jié)點可參和總線通信，但是不允許送出活動錯誤標(biāo)志。當(dāng)其檢測到錯誤時，只能送出認(rèn)可錯 誤標(biāo)志，并且發(fā)送后仍為錯誤認(rèn)可狀態(tài)，直到下一次發(fā)送初始化。總線關(guān)閉狀態(tài)不允許單元對總 線有任何影響。
7 O% h, ^+ C9 e2 @ n/ I為了界定故障，在每個總線單元中都設(shè)有2個計數(shù)：發(fā)送出錯計數(shù)和接收出錯計數(shù)。這些 計數(shù)按照下列規(guī)則進行。* a- M% m8 ?4 r0 x2 ^
（1）接收器檢查出錯誤時，接收器錯誤計數(shù)器加1，除非所有檢測錯誤是發(fā)送活動錯誤標(biāo)志或超載標(biāo)志期間的位錯誤。
# F5 k& H: A* Y) F（2）接收器在送出錯誤標(biāo)志后的第一位檢查出顯性位時，錯誤計數(shù)器加8。
4 l, R* ]+ L2 U2 y（3）發(fā)送器送出一個錯誤標(biāo)志時，發(fā)送器錯誤計數(shù)器加8。有兩種情況例外：其一是如果發(fā) 送器為錯誤認(rèn)可，由于未檢測到顯性位應(yīng)答或檢測到應(yīng)答錯誤，并且在送出其認(rèn)可錯誤標(biāo)志時，未檢測到顯性位；另外一種情況是如果仲裁器件產(chǎn)生填充錯誤，發(fā)送器送出一個隱性位錯誤標(biāo)志，而檢測到的是顯性位。除以上兩種情況外，發(fā)送器錯誤計數(shù)器計數(shù)不改變。2 l% Q4 \# } y* t2 A& ^2 o
（4）發(fā)送器送出一個活動錯誤標(biāo)志或超載標(biāo)志時，檢測到位錯誤，則發(fā)送器錯誤計數(shù)器加8。
( g$ g5 d1 G4 ]4 g/ I" ?6 j) I（5）在送出活動錯誤標(biāo)志、認(rèn)可錯誤標(biāo)志或超載錯誤標(biāo)志后，任何節(jié)點都最多允許連續(xù)7個顯性位。在檢測到第11個連續(xù)顯性位后，或緊隨認(rèn)可錯誤標(biāo)志檢測到第8個連續(xù)的顯性位，以及附加的8個連續(xù)的顯性位的每個序列后，每個發(fā)送器的發(fā)送錯誤計數(shù)都加8，并且每個接收器的接收錯誤計數(shù)也加8。
! y# J/ N6 }2 a) B- _* p（6）報文成功發(fā)送后，發(fā)送錯誤計數(shù)減1，除非計數(shù)值已經(jīng)為0。
, @, c: k) L' L（7）報文成功發(fā)送后，如果接收錯誤計數(shù)處于1～197之間，則其值減1；如果接收錯誤計數(shù)為0，則仍保持為0；如果大于127，則將其值記為119～127之間的某個數(shù)值。
! H/ L, W, c& V, b( S7 R1 n（8）當(dāng)發(fā)送錯誤計數(shù)等于或大于128，或接收錯誤汁數(shù)等于或大于128時，節(jié)點進入錯誤認(rèn),可狀態(tài)，節(jié)點送出一個活動錯誤標(biāo)志。" c* ^! u' v! m% Q+ h, }; J
（9）當(dāng)發(fā)送錯誤計數(shù)器大于或等于256時，節(jié)點進入總線關(guān)閉狀態(tài)。
. C& K+ T! w# F/ w/ u6 g0 l（1O）當(dāng)發(fā)送錯誤計數(shù)和接收錯誤計數(shù)均小于或等于127時，錯誤認(rèn)可節(jié)點再次變?yōu)殄e誤激活節(jié)點。
1 O7 p! s0 b* ^（11）在檢測到總線上11個連續(xù)的隱性位發(fā)送128次后，總線關(guān)閉節(jié)點將變?yōu)?個錯誤計數(shù)器均為0的錯誤激活節(jié)點。
; B' e6 @& z5 d2 v8 r4 z（12）當(dāng)錯誤計數(shù)器數(shù)值大于96時，說明總線被嚴(yán)重干擾。
9 O, s/ r6 {, H% L- B& |" J如果系統(tǒng)啟動期間僅有1個節(jié)點掛在總線上，此節(jié)點發(fā)出報文后，將得不到應(yīng)答，檢查出錯誤并重復(fù)該報文，此時該節(jié)點可以變?yōu)殄e誤認(rèn)可節(jié)點，但不會因此關(guān)閉總線 |
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