can總線應用舉例

CAN總線在工控領域主要使用低速-容錯CAN即ISO11898-3標準，在汽車領域常使用500Kbps的高速CAN。

某進口車型擁有，車身、舒適、多媒體等多個控制網絡，其中車身控制使用CAN網絡，舒適使用LIN網絡，多媒體使用MOST網絡，以CAN網為主網，控制發(fā)動機、變速箱、ABS等車身安全模塊，并將轉速、車速、油溫等共享至全車，實現汽車智能化控制，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。

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。

某醫(yī)院現有5臺16T/H XXXX燃氣鍋爐，向洗衣房、制劑室、供應室、生活用水、暖氣等設施提供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，據此設計了基于CAN現場總線的分布式鍋爐蒸汽熱網智能監(jiān)控系統(tǒng)?，F場應用表明:該樓宇自動化系統(tǒng)具有抗干擾能力強，現場組態(tài)容易，網絡化程度高，人機界面友好等特點。

為防止汽車在使用壽命期內由于數據交換錯誤而對司機造成危險，汽車的安全系統(tǒng)要求數據傳輸具有較高的安全性。如果數據傳輸的可靠性足夠高，或者殘留下來的數據錯誤足夠低的話，這一目標不難實現。從總線系統(tǒng)數據的角度看，可靠性可以理解為，對傳輸過程產生的數據錯誤的識別能力。

殘余數據錯誤的概率可以通過對數據傳輸可靠性的統(tǒng)計測量獲得。它描述了傳送數據被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數據錯誤概率必須非常小，使其在系統(tǒng)整個壽命周期內，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對數據錯誤進行分類，并且數據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，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數量級。例如，CAN網絡的數據傳輸率最大為1Mbps，如果數據傳輸能力僅使用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)，所傳送的數據總量為9×1010。在系統(tǒng)運行壽命期內，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。

位仲裁

要對數據進行實時處理，就必須將數據快速傳送，這就要求數據的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發(fā)送數據時，要求快速地進行總線分配。實時處理通過網絡交換的緊急數據有較大的不同。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據并要求更短的延時。

CAN總線以報文為單位進行數據傳送，報文的優(yōu)先級結合在11位標識符中，具有最低二進制數的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設計時被確立后就不能再被更改?？偩€讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖2所示，當幾個站同時發(fā)送報文時，站1的報文標識符為011111;站2的報文標識符為0100110;站3的報文標識符為0100111。所有標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，在網絡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在網絡上傳送了。所有未獲得總線讀取權的站都成為具有最高優(yōu)先權報文的接收站，并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文。

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。這種方法在網絡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。

對于主站的可靠性，由于CAN協議執(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。這是實現有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。

CAN與其它通信方案的比較

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，總線按傳送數據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。

CAN實現總線分配的方法，可保證當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兩個站同時發(fā)送數據時產生的碰撞問題。不同于Ethernet網絡的消息仲裁，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。甚至當總線在重負載情況下，以消息內容為優(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這樣的網絡中，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。

CAN的報文格式

在總線中傳送的報文，每幀由7部分組成。CAN協議支持兩種報文格式，其唯一的不同是標識符(ID)長度不同，標準格式為11位，擴展格式為29位。

在標準格式中，報文的起始位稱為幀起始(SOF)，然后是由11位標識符和遠程發(fā)送請求位 (RTR)組成的仲裁場。RTR位標明是數據幀還是請求幀，在請求幀中沒有數據字節(jié)。

控制場包括標識符擴展位(IDE)，指出是標準格式還是擴展格式。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據場中數據的長度(DLC)。數據場范圍為0~8個字節(jié),其后有一個檢測數據錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC)。

應答場(ACK)包括應答位和應答分隔符。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)送站可以保證網絡中至少有一個站能正確接收到報文。

報文的尾部由幀結束標出。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)。

CAN數據幀的組成

遠程幀

遠程幀由6個場組成:幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應答場和幀結束。遠程幀不存在數據場。

遠程幀的RTR位必須是隱位。

DLC的數據值是獨立的，它可以是0~8中的任何數值，為對應數據幀的數據長度。

錯誤幀

錯誤幀由兩個不同場組成，第一個場由來自各站的錯誤標志疊加得到，第二個場是錯誤界定符

錯誤標志具有兩種形式:

活動錯誤標志(Active error flag)，由6個連續(xù)的顯位組成

認可錯誤標志(Passive error flag)，由6個連續(xù)的隱位組成

錯誤界定符包括8個隱位

超載幀

超載幀包括兩個位場:超載標志和超載界定符

發(fā)送超載幀的超載條件:

要求延遲下一個數據幀或遠程幀

在間歇場檢測到顯位

超載標志由6個顯位組成

超載界定符由8個隱位組成

數據錯誤檢測

不同于其它總線，CAN協議不能使用應答信息。事實上，它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。CAN協議可使用五種檢查錯誤的方法，其中前三種為基于報文內容檢查。

3.4.1循環(huán)冗余檢查(CRC)

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。

3.4.2 幀檢查

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。

3.4.3.應答錯誤

如前所述，被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發(fā)送站未收到應答，那么表明接收站發(fā)現幀中有錯誤，也就是說，ACK場已損壞或網絡中的報文無站接收。CAN協議也可通過位檢查的方法探測錯誤。

3.4.4 總線檢測

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。

3.4.5 位填充

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。

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)送出錯標志終止當前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文，并保證網絡上報文的一致性。當大量發(fā)送數據被終止后，發(fā)送站會自動地重新發(fā)送數據。作為規(guī)則，在探測到錯誤后23個位周期內重新開始發(fā)送。在特殊場合，系統(tǒng)的恢復時間為31個位周期。

但這種方法存在一個問題，即一個發(fā)生錯誤的站將導致所有數據被終止，其中也包括正確的數據。因此,如果不采取自監(jiān)測措施，總線系統(tǒng)應采用模塊化設計。為此，CAN協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生不良影響的運行方法來實現，即站可以通過關閉自己來阻止正常數據因被錯誤地當成不正確的數據而被終止。

硬同步和重同步

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，位時間計數器隨同步段重新開始計數。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。根據同步規(guī)則，如果某一位時間內已有一個硬同步出現，該位時間內將不會發(fā)生再同步。再同步可能導致相位緩沖段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寬度(SJW)給定。

CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發(fā)的一種串行數據通信協議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率最高可達1Mbps。

完成對通信數據的成幀處理

CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。

使網絡內的節(jié)點個數在理論上不受限制

CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網絡內的節(jié)點個數在理論上不受限制，數據塊的標識符可由11位或29位二進制數組成，因此可以定義2或2個以上不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數據，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數據段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數據的一般要求。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協議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現場總線之一。

可在各節(jié)點之間實現自由通信

CAN總線采用了多主競爭式總線結構，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絡上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現自由通信。CAN總線協議已被國際標準化組織認證，技術比較成熟，控制的芯片已經商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數據通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC AT XT兼容機上，方便地構成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

結構簡單

只有2根線與外部相連，并且內部集成了錯誤探測和管理模塊。

傳輸距離和速率

CAN總線特點:(1) 數據通信沒有主從之分，任意一個節(jié)點可以向任何其他(一個或多個)節(jié)點發(fā)起數據通信，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總線傳輸介質可以是雙絞線，同軸電纜。CAN總線適用于大數據量短距離通信或者長距離小數據量，實時性要求比較高，多主多從或者各個節(jié)點平等的現場中使用。

控制器局部網(CAN-CONTROLLER AREA NETWORK)是BOSCH公司為現代汽車應用領域推出的一種多主機局部網，由于其高性能、高可靠性、實時性等優(yōu)點現已廣泛應用于工業(yè)自動化、多種控制設備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門。控制器局部網將在中國迅速普及推廣。

隨著計算機硬件、軟件技術及集成電路技術的迅速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)已成為計算機技術應用領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。

分散式工業(yè)控制系統(tǒng)就是為適應這種需要而發(fā)展起來的。這類系統(tǒng)是以微型機為核心，將 5C技術--COMPUTER(計算機技術)、CONTROL(自動控制技術)、COMMUNICATION(通信技術)、CRT(顯示技術)和 CHANGE(轉換技術)緊密結合的產物。它在適應范圍、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。

典型的分散式控制系統(tǒng)由現場設備、接口與計算設備以及通信設備組成?，F場總線(FIELDBUS)能同時滿足過程控制和制造業(yè)自動化的需要，因而現場總線已成為工業(yè)數據總線領域中最為活躍的一個領域。現場總線的研究與應用已成為工業(yè)數據總線領域的熱點。盡管對現場總線的研究尚未能提出一個完善的標準，但現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，正由于現場總線的標準尚未統(tǒng)一，也使得現場總線的應用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現場總線的完善提供更加豐富的依據?？刂破骶植烤W CAN(CONTROLLER AERANETWORK)正是在這種背景下應運而生的。

由于CAN為愈來愈多不同領域采用和推廣，導致要求各種應用領域通信報文的標準化。為此，1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制訂并發(fā)布了 CAN技術規(guī)范(VERSION 2.0)。該技術規(guī)范包括A和B兩部分。2.0A給出了曾在CAN技術規(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給出了標準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--數字信息交換--高速通信控制器局部網(CAN)國際標準(ISO11898)，為控制器局部網標準化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。

CAN 是Controller Area Network 的縮寫(以下稱為CAN)，是ISO國際標準化的串行通信協議。在汽車產業(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)之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數量也隨之增加。為適應"減少線束的數量"、"通過多個LAN，進行大量數據的高速通信"的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN 通信協議。此后，CAN 通過ISO11898 及ISO11519 進行了標準化，在歐洲已是汽車網絡的標準協議。

CAN 的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等方面?，F場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現為分布式控制系統(tǒng)實現各節(jié)點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。

廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數據塊進行編碼，可以多主方式工作;

采用非破壞性仲裁技術，當兩個節(jié)點同時向網絡上傳送數據時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數據發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數據，有效避免了總線沖突;

采用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數為8個，數據傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短;

每幀數據都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數據傳輸的高可靠性，適于在高干擾環(huán)境下使用;

節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯系，以使總線上其他操作不受影響;

可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接受數據。

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;

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;

具有優(yōu)先權和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-Bus上，形成多主機局部網絡;

可根據報文的ID決定接收或屏蔽該報文;

可靠的錯誤處理和檢錯機制;

發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā);

節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能;

報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。

CAN總線多用于工控和汽車領域，在CAN總線的開發(fā)測試階段，需要對其拓撲結構，節(jié)點功能，網路整合等進行開發(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，并且在生產階段也需要一批簡單易用的生產線測試工具。CAN總線開發(fā)測試工具的主要供應商有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。

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、產生的原因及處理方法。

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答間隙送出隱性位而檢測到顯性位時，不認為是錯誤位。送出認可錯誤標注的發(fā)送器，在檢測到顯性位時也不認為是錯誤位。

填充錯誤:在使用位填充方法進行編碼的報文中，出現了第6個連續(xù)相同的位電平時，將檢 測出一個填充錯誤。

CRC錯誤:CRC序列是由發(fā)送器CRC計算的結果組成的。接收器以和發(fā)送器相同的方法計算CRC。如果計算的結果和接收到的CRC序列不同，則檢測出一個CRC錯誤。

形式錯誤: 當固定形式的位區(qū)中出現一個或多個非法位時，則檢測到一個形式錯誤。

應答錯誤:在應答間隙，發(fā)送器未檢測到顯性位時，則由它檢測出一個應答錯誤。

檢測到出錯條件的節(jié)點通過發(fā)送錯誤標志進行標定。當任何節(jié)點檢測出位錯誤、填充錯誤、形式錯誤或應答錯誤時，由該節(jié)點在下一位開始發(fā)送出錯誤標志。

當檢測到CRC錯誤時。出錯標志在應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志已經開始發(fā)送。

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)、錯誤認可狀態(tài)(Error Passitive)和總線關閉狀態(tài)(Bus off)。

錯誤激活單元可以照常參和總線通信，并且當檢測到錯誤時，送出一個活動錯誤標志。錯誤 認可節(jié)點可參和總線通信，但是不允許送出活動錯誤標志。當其檢測到錯誤時，只能送出認可錯 誤標志，并且發(fā)送后仍為錯誤認可狀態(tài)，直到下一次發(fā)送初始化?？偩€關閉狀態(tài)不允許單元對總 線有任何影響。

為了界定故障，在每個總線單元中都設有2個計數:發(fā)送出錯計數和接收出錯計數。這些 計數按照下列規(guī)則進行。

(1)接收器檢查出錯誤時，接收器錯誤計數器加1，除非所有檢測錯誤是發(fā)送活動錯誤標志或超載標志期間的位錯誤。

(2)接收器在送出錯誤標志后的第一位檢查出顯性位時，錯誤計數器加8。

(3)發(fā)送器送出一個錯誤標志時，發(fā)送器錯誤計數器加8。有兩種情況例外:其一是如果發(fā) 送器為錯誤認可，由于未檢測到顯性位應答或檢測到應答錯誤，并且在送出其認可錯誤標志時，未檢測到顯性位;另外一種情況是如果仲裁器件產生填充錯誤，發(fā)送器送出一個隱性位錯誤標志，而檢測到的是顯性位。除以上兩種情況外，發(fā)送器錯誤計數器計數不改變。

(4)發(fā)送器送出一個活動錯誤標志或超載標志時，檢測到位錯誤，則發(fā)送器錯誤計數器加8。

(5)在送出活動錯誤標志、認可錯誤標志或超載錯誤標志后，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，或緊隨認可錯誤標志檢測到第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)送錯誤計數都加8，并且每個接收器的接收錯誤計數也加8。

(6)報文成功發(fā)送后，發(fā)送錯誤計數減1，除非計數值已經為0。

(7)報文成功發(fā)送后，如果接收錯誤計數處于1~197之間，則其值減1;如果接收錯誤計數為0，則仍保持為0;如果大于127，則將其值記為119~127之間的某個數值。

(8)當發(fā)送錯誤計數等于或大于128，或接收錯誤計數等于或大于128時，節(jié)點進入錯誤認,可狀態(tài)，節(jié)點送出一個活動錯誤標志。

(9)當發(fā)送錯誤計數器大于或等于256時，節(jié)點進入總線關閉狀態(tài)。

(1O)當發(fā)送錯誤計數和接收錯誤計數均小于或等于127時，錯誤認可節(jié)點再次變?yōu)殄e誤激活節(jié)點。

(11)在檢測到總線上11個連續(xù)的隱性位發(fā)送128次后，總線關閉節(jié)點將變?yōu)?個錯誤計數器均為0的錯誤激活節(jié)點。

(12)當錯誤計數器數值大于96時，說明總線被嚴重干擾。

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，將得不到應答，檢查出錯誤并重復該報文，此時該節(jié)點可以變?yōu)殄e誤認可節(jié)點，但不會因此關閉總線。\

1、汽車制造中的應用

應用CAN總線，可以減少車身布線，進一步節(jié)省了成本，由于采用總線技術，模塊之間的信號傳遞僅需要兩條信號線。布線局部化，車上除掉總線外其他所有橫貫車身的線都不再需要了，節(jié)省了布線成本。CAN總線系統(tǒng)數據穩(wěn)定可靠，CAN總線具有線間干擾小、抗干擾能力強的特點。CAN總線專為汽車量身定做，充分考慮到了汽車上惡劣工作環(huán)境，比如點火線圈點火時產生的強大的反充電壓，電渦流緩沖器切斷時產生的浪涌電流及汽車發(fā)動機倉100℃左右的高溫。

隨著安全性能日益受到重視,安全氣囊也將逐漸增多,以前是在駕駛員前面安裝一個,今后側面與后座都會安裝安全氣囊,這些氣囊通過傳感器感受碰撞信號,通過 CAN總線將傳感器信號傳送到一個中央處理器內,控制各安全氣囊的啟動彈出動作。同時,先進的防盜設計也正基于CAN總線網絡技術。首先,確認鑰匙合法性的校驗信息通過CAN網絡進行傳遞,改進了加密算法,其校驗的信息比以往的防盜系統(tǒng)更豐富;其次,車鑰匙、防盜控制器和發(fā)動機控制器相互儲存對方信息,而且在校驗碼中攙雜隨機碼,無法進行破譯,從而提高防盜系統(tǒng)的安全性。而這些功能的實現無一不借助CAN總線來完成,CAN總線成為汽車智能化控制的"定海神針"。

在現代轎車的設計中,CAN已經成為必須采用的裝置。奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都采用了CAN作為控制器聯網的手段。據報道,中國首輛CAN 網絡系統(tǒng)混合動力轎車已在奇瑞公司試裝成功,并進行了初步試運行。在上海大眾的帕薩特和POLO汽車上也開始引入了CAN總線技術。但總的來說,目前 CAN總線技術在我國汽車工業(yè)中的應用尚處于試驗和起步階段,絕大部分的汽車還沒有采用汽車總線設計。國內在技術、設計和應用上進行網絡總線的"深造"勢在必行。

2、大型儀器設備中的應用

大型儀器設備是一種參照一定步驟對多種信息采集、處理、控制、輸出等操作的復雜系統(tǒng)。過去這類儀器設備的電子系統(tǒng)往往是在結構和成本方面占據相當大的部分，而且可靠性不高。采用CAN總線技術后，在這方面有了明顯改觀。

以醫(yī)療設備為例，病理分布式監(jiān)控系統(tǒng)分別由中央控制式的中央監(jiān)控單元和現場采集單元。 現場采集單元對醫(yī)院各室診斷測量儀器進行數據、圖像的實時采集，同時完成數據統(tǒng)計、存貯; 中央監(jiān)控單元可以定期或不定期地從現場采集單元獲取數據并完成圖像監(jiān)測、數據統(tǒng)計、報表、打印及數據庫管理。中央監(jiān)控單元和現場采集單元之間通過CAN總線連接在一起，在這個網絡中，中央監(jiān)控單元處于主控位置，而現場采集單元可以隨時響應中央監(jiān)控單元的命令。其現場采集單元由單片機8C552及采集、存儲、顯示、遙控和通信模塊組成,每個現場采集單元可與10個測量儀器相接。

Can總線是針對測控領域設計的，所以一次傳輸的報文量很小，一次報文量最大能夠承載的數據上限為8字節(jié)，這種小數據量的傳輸一方面能夠使得低優(yōu)先級事務的傳輸，另一方面也非常符合測控需求。針對can總線技術的諸多優(yōu)點，非常適合應用于大型儀器系統(tǒng)模塊化之間的互相通信，采用模塊化組網的方式構建大型儀器系統(tǒng)。

3、工業(yè)控制中的應用

隨著計算機技術、通信技術和控制技術的發(fā)展,傳統(tǒng)的工業(yè)控制領域正經歷著一場前所未有的變革,而工業(yè)控制的網絡化,更拓展了工業(yè)控制領域的發(fā)展空間,帶來新的發(fā)展機遇。在廣泛的工業(yè)領域，CAN總線可作為現場設備級的通信總線，而且與其他的總線相比，具有很高的可靠性和性能價格比。這將是CAN技術開發(fā)應用的一個主要的方向。

例如，瑞士一家公司開發(fā)的軸控制系統(tǒng)ACS-E就帶有CAN接口。該系統(tǒng)可作為工業(yè)控制網絡中的一個從站，用于控制機床、機器人等。一方面通過CAN總線上上位機通信，另一方面可通過CAN總線對數字式伺服電機進行控制。通過CAN總線最多可連接6臺數字式伺服電機。

目前CAN總線技術在工程機械上的應用越來越普遍。國際上一些著名的工程機械大公司如CAT、VOLVO、利勃、海爾等都在自己的產品上廣泛采用CAN總線技術，大大提高了整機的可靠性、可檢測和可維修性，同時提高了智能化水平。而在國內，CAN總線控制系統(tǒng)也開始在工程汽車的控制系統(tǒng)中廣泛應用，在工程機械行業(yè)中也正在逐步推廣應用。

4、智能家庭和生活小區(qū)管理中的應用

小區(qū)智能化是一個綜合性系統(tǒng)工程，要從其功能、性能、成本、擴充能力及現代相關技術的應用等多方面來考慮。基于這樣的需求，采用CAN技術所設計的家庭智能管理系統(tǒng)比較適合用于多表遠傳、防盜、防火、防可燃氣體泄漏、緊急救援、家電控制等方面。

CAN總線是小區(qū)管理系統(tǒng)的一部分，負責將家庭中的一些數據和信號收集起來，并送到小區(qū)管理中心處理，CAN總線上的節(jié)點是每戶的家庭控制器、小區(qū)的三表抄收系統(tǒng)和報警監(jiān)測系統(tǒng)，每戶的家庭控制系統(tǒng)可通過總線發(fā)送報警信號，定期向自動抄表系統(tǒng)發(fā)送三表數據，并接收小區(qū)管理系統(tǒng)的通告信息，如欠費通知、火警警報等。

該系統(tǒng)充分利用CAN技術的特點和優(yōu)勢，構成住宅小區(qū)智能化檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)集多表集抄、防盜報警、水電控制、緊急求助、煤氣泄漏報警、火災報警和供電監(jiān)控子系統(tǒng)等功能，并提供遠程通訊服務。

5、機器人網絡互聯中的應用

制造車間底層設備自動化，近幾年仍是我國開展新技術研究和新技術應用工程及產品開發(fā)的主要領域，其市場需求不斷增大且越發(fā)活躍，競爭也日益激烈。伴隨著工業(yè)機器人的產業(yè)化，目前機器人系統(tǒng)的應用大多要求采用機器人生產方式，這就要求多臺機器人能通過網絡進行互聯。隨之而來的是，在實際生產過程中，這種連網的多機器人系統(tǒng)的調度、維護工作也變得尤為重要。制造車間底層電氣裝置聯網是近幾年內技術發(fā)展的重點。其電器裝置包括有:運動控制器、基于微處理器的傳感器、專用設備控制器等底層設備;在這些裝置所構成的網絡上另有車間級管理機、監(jiān)控機或生產單元控制器等非底層裝置。結合實際情況和要求，將機器人控制器視為運動控制器。

把CAN總線技術充分應用于現有的控制器當中，將可開發(fā)出高性能的多機器人生產線系統(tǒng)。利用現有的控制技術，結合CAN技術和通信技術，通過對現有的機器人控制器進行硬件改進和軟件開發(fā)，并相應地開發(fā)出上位機監(jiān)控軟件，從而實現多臺機器人的網絡互聯。最終實現基于CAN網絡的機器人生產線集成系統(tǒng)。這樣做的好處很多，例如實現單根電纜串接全部設備，節(jié)省安裝維護開銷;提高實時性，信息可共享;提高多控制器系統(tǒng)的檢測、診斷和控制性能;通過離線的任務調度、作業(yè)的下載以及錯誤監(jiān)控等技術，把一部分人從機器人工作的現場徹底脫離出來。

CAN總線的數據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計,CAN總線越來越受到人們的重視，它在汽車領域上的應用是最廣泛的。世界上一些著名的汽車制造廠商大都采用了CAN總線來實現汽車內部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構間的數據通信。同時,由于CAN總線本身的特點,其應用范圍目前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、農用機械、機器人、數控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領域發(fā)展。CAN已經形成國際標準,并已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。

1.1 計算機網絡體系結構與拓撲結構

1.1.1 計算機網絡體系結構

1.1.2 網絡互聯設備

1.1.3 網絡拓撲結構

1.2 CAN總線簡介

1.2.1 CAN總線是什么

1.2.2 CAN總線的特點

1.2.3 CAN總線傳輸介質

1.2.4 CAN總線拓撲結構與設備

1.3 報文傳輸

1.3.1 幀類型

1.3.2 幀格式

1.3.3 幀優(yōu)先級仲裁

1.4 報文濾波與校驗

1.5 編碼--位填充

1.6 錯誤處理與故障界定

1.6.1 錯誤類型

1.6.2 節(jié)點錯誤處理

1.6.3 故障界定方法

1.7 位定時要求

本章小結

2.1 為什么構建CAN應用層協議

……第3章 CAN控制器和驅動器第4章 硬件系統(tǒng)設計與實踐第5章 基礎實驗實踐第6章 CAN總線節(jié)點的自收發(fā)實例設計第7章 CAN總線兩節(jié)點通信實例設計第8章 CAN-RS232網橋設計第9章 基于iCAN協議的溫控系統(tǒng)設計第10章 感悟設計附錄 郵政系統(tǒng)與CAN總線通信系統(tǒng)對比后記

CAN總線的物理層是將ECU連接至總線的驅動電路。ECU的總數將受限于總線上的電氣負荷。物理層定義了物理數據在總線上各節(jié)點間的傳輸過程，主要是連接介質、線路電氣特性、數據的編碼/解碼、位定時和同步的實施標準。

BOSCH CAN基本上沒有對物理層進行定義，但基于CAN的ISO標準對物理層進行了定義。設計一個CAN系統(tǒng)時，物理層具有很大的選擇余地，但必須保證CAN協議中媒體訪問層非破壞性位仲裁的要求，即出現總線競爭時，具有較高優(yōu)先權的報文獲取總線競爭的原則，所以要求物理層必須支持CAN總線中隱性位和顯性位的狀態(tài)特征。在沒有發(fā)送顯性位時，總線處于隱性狀態(tài)，空閑時，總線處于隱性狀態(tài);當有一個或多個節(jié)點發(fā)送顯性位，顯性位覆蓋隱性位，使總線處于顯性狀態(tài)。

在此基礎上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。從物理結構上看，CAN節(jié)點的構成如圖7-8所示。在CAN中，物理層從結構上可分為三層:分別是物理信號層(Physical Layer Signaling，PLS)、物理介質附件(Physical MediaAttachment，PMA)層和介質從屬接口(Media Dependent:Inter-face，MDI)層。其中PLS連同數據鏈路層功能由CAN控制器完成，PMA層功能由CAN收發(fā)器完成，MDI層定義了電纜和連接器的特性。目前也有支持CAN的微處理器內部集成了CAN控制器和收發(fā)器電路，如MC68HC908GZl6。PMA和MDI兩層有很多不同的國際或國家或行業(yè)標準，也可自行定義，比較流行的是ISOll898定義的高速CAN發(fā)送/接收器標準。

CAN網絡上的節(jié)點不分主從，任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，通信方式靈活，利用這一特點可方便地構成多機備份系統(tǒng)，CAN只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據，無需專門的"調度"。 CAN的直接通信距離最遠可達10km(速率5kbps以下);通信速率最高可達1Mbps(此時通信距離最長為40m)。 CAN上的節(jié)點數主要決定于總線驅動電路，目前可達110個;報文標識符可達2032種(CAN2.0A)，而擴展標準(CAN2.0B)的報文標識符幾乎不受限制。

CAN的數據鏈路層是其核心內容，其中邏輯鏈路控制(Logical Link control，LLC)完成過濾、過載通知和管理恢復等功能，媒體訪問控制(Medium Access control，MAC)子層完成數據打包/解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、應答、串并轉換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的。

控制器局域網CAN( Controller Area Network)屬于現場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網絡。是由德國博世公司在20世紀80年代專門為汽車行業(yè)開發(fā)的一種串行通信總線。由于其高性能、高可靠性以及獨特的設計而越來越受到人們的重視，被廣泛應用于諸多領域。而且能夠檢測出產生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10km時，CAN仍可提供高達50kbit/s的數據傳輸速率。由于CAN總線具有很高的實時性能和應用范圍，從位速率最高可達1Mbps的高速網絡到低成本多線路的50Kbps網絡都可以任意搭配。因此，CAN己經在汽車業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制、安全防護等領域中得到了廣泛應用。

隨著CAN總線在各個行業(yè)和領域的廣泛應用，對其的通信格式標準化也提出了更嚴格的要求。1991年CAN總線技術規(guī)范(Version2.0)制定并發(fā)布。該技術規(guī)范共包括A和B兩個部分。其中2.0A給出了CAN報文標準格式，而2.0B給出了標準的和擴展的兩種格式。美國的汽車工程學會SAE在2000年提出了J1939協議，此后該協議成為了貨車和客車中控制器局域網的通用標準。CAN總線技術也在不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的CAN是基于事件觸發(fā)的，信息傳輸時間的不確定性和優(yōu)先級反轉是它固有的缺陷。當總線上傳輸消息密度較小時，這些缺陷對系統(tǒng)的實時性影響較小;但隨著在總線上傳輸消息密度的增加，系統(tǒng)實時性能會急劇下降。為了滿足汽車控制對實時性和傳輸消息密度不斷增長的需要，改善CAN總線的實時性能非常必要。于是，傳統(tǒng)CAN與時間觸發(fā)機制相結合產生了TTCAN(Time-Triggered CAN)，ISO11898-4己包含了TTCAN。 TTCAN總線和傳統(tǒng)CAN總線系統(tǒng)的區(qū)別是:總線上不同的消息定義了不同的時間槽(Timer Slot)。

依據國際標準化組織/開放系統(tǒng)互連(International Standardi-zation Organization/Open SystemInterconnection，ISO/OSI)參考模型，CAN的ISO/OSI參考模型的層結構。

CAN總線的工作原理

CAN總線使用串行數據傳輸方式，可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運行，也可以使用光纜連接，而且在這種總線上總線協議支持多主控制器。CAN與I2C總線的許多細節(jié)很類似，但也有一些明顯的區(qū)別。當CAN總線上的一個節(jié)點(站)發(fā)送數據時，它以報文形式廣播給網絡中所有節(jié)點。對每個節(jié)點來說，無論數據是否是發(fā)給自己的，都對其進行接收。每組報文開頭的11位字符為標識符，定義了報文的優(yōu)先級，這種報文格式稱為面向內容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標識符是唯一的，不可能有兩個站發(fā)送具有相同標識符的報文。當幾個站同時競爭總線讀取時，這種配置十分重要。

當一個站要向其它站發(fā)送數據時，該站的CPU將要發(fā)送的數據和自己的標識符傳送給本站的CAN芯片，并處于準備狀態(tài);當它收到總線分配時，轉為發(fā)送報文狀態(tài)。CAN芯片將數據根據協議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時網上的其它站處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的站對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。由于CAN總線是一種面向內容的編址方案，因此很容易建立高水準的控制系統(tǒng)并靈活地進行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進一些新站而無需在硬件或軟件上進行修改。當所提供的新站是純數據接收設備時，數據傳輸協議不要求獨立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化，即總線上控制器需要測量數據時，可由網上獲得，而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。

CAN總線特征

(1)報文(Message)總線上的數據以不同報文格式發(fā)送，但長度受到限制。當總線空閑時，任何一個網絡上的節(jié)點都可以發(fā)送報文。

(2)信息路由(Information Routing)在CAN中，節(jié)點不使用任何關于系統(tǒng)配置的報文，比如站地址，由接收節(jié)點根據報文本身特征判斷是否接收這幀信息。因此系統(tǒng)擴展時，不用對應用層以及任何節(jié)點的軟件和硬件作改變，可以直接在CAN中增加節(jié)點。

(3)標識符(Identifier) 要傳送的報文有特征標識符(是數據幀和遠程幀的一個域)，它給出的不是目標節(jié)點地址，而是這個報文本身的特征。信息以廣播方式在網絡上發(fā)送，所有節(jié)點都可以接收到。節(jié)點通過標識符判定是否接收這幀信息。

(4)數據一致性應確保報文在CAN里同時被所有節(jié)點接收或同時不接收，這是配合錯誤處理和再同步功能實現的。

(5)位傳輸速率不同的CAN系統(tǒng)速度不同，但在一個給定的系統(tǒng)里，位傳輸速率是唯一的，并且是固定的。

(6)優(yōu)先權 由發(fā)送數據的報文中的標識符決定報文占用總線的優(yōu)先權。標識符越小，優(yōu)先權越高。

(7)遠程數據請求(Remote Data Request) 通過發(fā)送遠程幀，需要數據的節(jié)點請求另一節(jié)點發(fā)送相應的數據?；貞?jié)點傳送的數據幀與請求數據的遠程幀由相同的標識符命名。

(8)仲裁(Arbitration) 只要總線空閑，任何節(jié)點都可以向總線發(fā)送報文。如果有兩個或兩個以上的節(jié)點同時發(fā)送報文，就會引起總線訪問碰撞。通過使用標識符的逐位仲裁可以解決這個碰撞。仲裁的機制確保了報文和時間均不損失。當具有相同標識符的數據幀和遠程幀同時發(fā)送時，數據幀優(yōu)先于遠程幀。在仲裁期間，每一個發(fā)送器都對發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的總線電平進行比較。如果電平相同，則這個單元可以繼續(xù)發(fā)送，如果發(fā)送的是"隱性"電平而監(jiān)視到的是"顯性"電平，那么這個單元就失去了仲裁，必須退出發(fā)送狀態(tài)。

(9)總線狀態(tài) 總線有"顯性"和"隱性"兩個狀態(tài)，"顯性"對應邏輯"0"，"隱性"對應邏輯"1"。"顯性"狀態(tài)和"隱性"狀態(tài)與為"顯性"狀態(tài)，所以兩個節(jié)點同時分別發(fā)送"0"和"1"時，總線上呈現"0"。CAN總線采用二進制不歸零(NRZ)編碼方式，所以總線上不是"0"，就是"1"。但是CAN協議并沒有具體定義這兩種狀態(tài)的具體實現方式。

(10)故障界定(Confinement) CAN節(jié)點能區(qū)分瞬時擾動引起的故障和永久性故障。故障節(jié)點會被關閉。

(11)應答接收節(jié)點對正確接收的報文給出應答，對不一致報文進行標記。

(12)CAN通訊距離最大是10公里(設速率為5Kbps),或最大通信速率為1Mbps(設通信距離為40米)。

(13)CAN總線上的節(jié)點數可達110個。通信介質可在雙絞線，同軸電纜，光纖中選擇。

(14)報文是短幀結構，短的傳送時間使其受干擾概率低，CAN有很好的校驗機制，這些都保證了CAN通信的可靠性。

CAN總線的特點

(1)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;

(2)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;

(3)具有優(yōu)先權和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN 控制器掛到CAN-bus 上，形成多主機局部網絡;

(4)可根據報文的ID決定接收或屏蔽該報文;

(5)可靠的錯誤處理和檢錯機制;

(6)發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā);

(7)節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能;

(8)報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。