CAN接120歐姆終端電阻的原因分析

本文主要是關(guān)于CAN總線的相關(guān)介紹，并著重對CAN接120歐姆終端電阻的原因進(jìn)行了詳盡的闡述。

CAN總線

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network， CAN)的簡稱，是由以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 11898)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計的J1939協(xié)議。

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(dá)1Mbps。

完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理

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。

使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制

CAN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(jìn)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(jìn)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。

可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信

CAN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(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)簡單

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。

傳輸距離和速率

CAN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(yuǎn)可達(dá)10KM(速率低于5Kbps)速率可達(dá)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。

技術(shù)介紹

位仲裁

要對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(fù)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。

CAN總線以報文為單位進(jìn)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(jìn)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。例如標(biāo)識符0111111、0100100、0100111發(fā)生位仲裁時，0100100報文將會被跟蹤，而其余報文會被丟棄。具體過程為：當(dāng)幾個站同時發(fā)送報文時，站1的報文標(biāo)識符為0111111，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(jìn)行比較時，站1的報文被丟棄，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的報文才被丟棄。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。

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(fù)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(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。

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(jìn)行總線存取或在一特定時間進(jìn)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。

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(jìn)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(fù)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。

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(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(kuò)展格式為29位。

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(yuǎn)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)。

控制場包括標(biāo)識符擴(kuò)展位(IDE)，指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式。它還包括一個保留位 (ro)，為將來擴(kuò)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)。

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。

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(jìn)行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。

CAN數(shù)據(jù)幀的組成

遠(yuǎn)程幀

遠(yuǎn)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(yuǎn)程幀不存在數(shù)據(jù)場。

遠(yuǎn)程幀的RTR位必須是隱位。

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。

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(biāo)志疊加得到，第二個場是錯誤界定符

錯誤標(biāo)志具有兩種形式：

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

認(rèn)可錯誤標(biāo)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(biāo)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(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀

在間歇場檢測到顯位

超載標(biāo)志由6個顯位組成

超載界定符由8個隱位組成

數(shù)據(jù)錯誤檢測

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。

3.4.1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(yīng)答錯誤

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。

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(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(bǔ)的補(bǔ)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(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。

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(jìn)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。

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(jìn)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(qiáng)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。

可靠性

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(jī)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)目煽啃宰銐蚋撸蛘邭埩粝聛淼臄?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。

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(jìn)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。

應(yīng)用舉例

CAN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。

某進(jìn)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(jī)、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。

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(xiàn)有5臺16T/H XXXX燃?xì)忮仩t，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(jìn)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)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：該樓宇自動化系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)，現(xiàn)場組態(tài)容易，網(wǎng)絡(luò)化程度高，人機(jī)界面友好等特點。

CAN接120歐姆終端電阻的原因分析

高頻信號傳輸時，信號波長相對傳輸線較短，信號在傳輸線終端會形成反射波，干擾原信號，所以需要在傳輸線末端加終端電阻，使信號到達(dá)傳輸線末端后不反射。對于低頻信號則不用?CAN總線兩端必須連接終端電阻才可以正常工作，終端電阻應(yīng)該與通訊電纜的阻抗相同，典型值為120歐姆。其作用是匹配總線阻抗，提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠行。??

1.?終端電阻的作用就是吸收信號反射及回波，而產(chǎn)生信號反射的最大便是阻抗不連續(xù)以及不匹配。?

2.?如果是加在單獨的兩根線上，相當(dāng)于一個開環(huán)的狀態(tài)，根據(jù)產(chǎn)生信號反射的，也就是說這種連接方式會導(dǎo)致單線上阻抗更加不連續(xù)，在末端突然變?yōu)?，會導(dǎo)致反射成倍增加。?高速CAN所加的兩個120歐的電阻實際上模擬的是線束連接無窮遠(yuǎn)的時候在傳輸線上產(chǎn)生的特性阻抗(而不是實際阻抗)，這是個典型經(jīng)驗值，具體值取決于所采用的線束類型。?以上如仍有不明之處，請簡單查閱下傳輸線理論和信號反射相關(guān)的知識。?

CAN低速之所以不加終端電阻，是因為不同的頻率時，同樣的連接方式所產(chǎn)生的信號反射和回波差異很大，頻率越高，反射和回波越強(qiáng)烈。另外不同的頻率下，傳輸線的特性阻抗是不同的。??

3.?在ISO-11898-2：2003第4頁第一段中大致有這么一句話：“當(dāng)一個顯性位發(fā)送到至少包含一個CAN驅(qū)動處于開啟狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)上時，意味著有電流經(jīng)過終端電阻，因此，CAN_H和CAN_L具有了不同的電壓值。”，也就是說，在顯性狀態(tài)時，終端電阻會穩(wěn)定并增強(qiáng)差分電壓，當(dāng)去掉一個或兩個終端，通過示波器可以明顯看到一是信號不穩(wěn)，二是差分電壓會有變化，缺少終端或沒有終端電阻時所測到的電壓我認(rèn)為是單純由CAN驅(qū)動器所產(chǎn)生的，離發(fā)送端越遠(yuǎn)，電壓差異越大。

淺談CAN總線協(xié)議

控制器局域網(wǎng)CAN( Controller Area Network)屬于現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)。是由德國博世公司在20世紀(jì)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(shè)計而越來越受到人們的重視，被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達(dá)到10km時，CAN仍可提供高達(dá)50kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于CAN總線具有很高的實時性能和應(yīng)用范圍，從位速率最高可達(dá)1Mbps的高速網(wǎng)絡(luò)到低成本多線路的50Kbps網(wǎng)絡(luò)都可以任意搭配。因此，CAN己經(jīng)在汽車業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

隨著CAN總線在各個行業(yè)和領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對其的通信格式標(biāo)準(zhǔn)化也提出了更嚴(yán)格的要求。1991年CAN總線技術(shù)規(guī)范(Version2.0)制定并發(fā)布。該技術(shù)規(guī)范共包括A和B兩個部分。其中2.0A給出了CAN報文標(biāo)準(zhǔn)格式，而2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種格式。美國的汽車工程學(xué)會SAE在2000年提出了J1939協(xié)議，此后該協(xié)議成為了貨車和客車中控制器局域網(wǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線技術(shù)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(zhuǎn)是它固有的缺陷。當(dāng)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(jī)制相結(jié)合產(chǎn)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)。

相關(guān)組織

依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)。

概念和特征

CAN總線的工作原理

CAN總線使用串行數(shù)據(jù)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(xié)議支持多主控制器。 [1] CAN與I2C總線的許多細(xì)節(jié)很類似，但也有一些明顯的區(qū)別。當(dāng)CAN總線上的一個節(jié)點(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點。對每個節(jié)點來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對其進(jìn)行接收。每組報文開頭的11位字符為標(biāo)識符，定義了報文的優(yōu)先級，這種報文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識符是唯一的，不可能有兩個站發(fā)送具有相同標(biāo)識符的報文。當(dāng)幾個站同時競爭總線讀取時，這種配置十分重要。

當(dāng)一個站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識符傳送給本站的CAN芯片，并處于準(zhǔn)備狀態(tài);當(dāng)它收到總線分配時，轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時網(wǎng)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(jìn)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(nèi)容的編址方案，因此很容易建立高水準(zhǔn)的控制系統(tǒng)并靈活地進(jìn)行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進(jìn)一些新站而無需在硬件或軟件上進(jìn)行修改。當(dāng)所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設(shè)備時，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)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(shù)據(jù)時，可由網(wǎng)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(shù)據(jù)以不同報文格式發(fā)送，但長度受到限制。當(dāng)總線空閑時，任何一個網(wǎng)絡(luò)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(guān)于系統(tǒng)配置的報文，比如站地址，由接收節(jié)點根據(jù)報文本身特征判斷是否接收這幀信息。因此系統(tǒng)擴(kuò)展時，不用對應(yīng)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(biāo)識符(Identifier) 要傳送的報文有特征標(biāo)識符(是數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的一個域)，它給出的不是目標(biāo)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(wǎng)絡(luò)上發(fā)送，所有節(jié)點都可以接收到。節(jié)點通過標(biāo)識符判定是否接收這幀信息。

(4)數(shù)據(jù)一致性應(yīng)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(xiàn)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(quán) 由發(fā)送數(shù)據(jù)的報文中的標(biāo)識符決定報文占用總線的優(yōu)先權(quán)。標(biāo)識符越小，優(yōu)先權(quán)越高。

(7)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求(Remote Data Request) 通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點請求另一節(jié)點發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)?；貞?yīng)節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)幀與請求數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程幀由相同的標(biāo)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(biāo)識符的逐位仲裁可以解決這個碰撞。仲裁的機(jī)制確保了報文和時間均不損失。當(dāng)具有相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時發(fā)送時，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)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(jìn)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(yīng)邏輯“0”，“隱性”對應(yīng)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(xiàn)“0”。CAN總線采用二進(jìn)制不歸零(NRZ)編碼方式，所以總線上不是“0”，就是“1”。但是CAN協(xié)議并沒有具體定義這兩種狀態(tài)的具體實現(xiàn)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(guān)閉。

(11)應(yīng)答接收節(jié)點對正確接收的報文給出應(yīng)答，對不一致報文進(jìn)行標(biāo)記。

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

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

(14)報文是短幀結(jié)構(gòu)，短的傳送時間使其受干擾概率低，CAN有很好的校驗機(jī)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(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點;

(2)采用雙線串行通信方式，檢錯能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作;

(3)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(jī)局部網(wǎng)絡(luò);

(4)可根據(jù)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(jī)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(yán)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(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。

協(xié)議內(nèi)容

CAN總線的物理層是將ECU連接至總線的驅(qū)動電路。ECU的總數(shù)將受限于總線上的電氣負(fù)荷。物理層定義了物理數(shù)據(jù)在總線上各節(jié)點間的傳輸過程，主要是連接介質(zhì)、線路電氣特性、數(shù)據(jù)的編碼/解碼、位定時和同步的實施標(biāo)準(zhǔn)。

總線競爭的原則

BOSCH CAN基本上沒有對物理層進(jìn)行定義，但基于CAN的ISO標(biāo)準(zhǔn)對物理層進(jìn)行了定義。設(shè)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(xié)議中媒體訪問層非破壞性位仲裁的要求，即出現(xiàn)總線競爭時，具有較高優(yōu)先權(quán)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(dāng)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(chǔ)上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。從物理結(jié)構(gòu)上看，CAN節(jié)點的構(gòu)成如圖7-8所示。在CAN中，物理層從結(jié)構(gòu)上可分為三層：分別是物理信號層(Physical Layer Signaling，PLS)、物理介質(zhì)附件(Physical MediaAttachment，PMA)層和介質(zhì)從屬接口(Media Dependent：Inter-face，MDI)層。其中PLS連同數(shù)據(jù)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)。

節(jié)點數(shù)量

CAN網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)，CAN只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”。 CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(速率5kbps以下);通信速率最高可達(dá)1Mbps(此時通信距離最長為40m)。 CAN上的節(jié)點數(shù)主要決定于總線驅(qū)動電路，目前可達(dá)110個;報文標(biāo)識符可達(dá)2032種(CAN2.0A)，而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(CAN2.0B)的報文標(biāo)識符幾乎不受限制。

CAN的數(shù)據(jù)鏈路層

CAN的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)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(fù)等功能，媒體訪問控制(Medium Access control，MAC)子層完成數(shù)據(jù)打包/解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、應(yīng)答、串并轉(zhuǎn)換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的。