1.0 介紹

CAN是控制器區域網絡(controller area network)的縮寫，由德國博世公司(BOSCH)于1986年開發，是一種多主節點、消息廣播系統，規定最大傳輸速率為每秒1兆比特。與USB或以太網等傳統網絡不同，CAN不會在總線中心主節點的監督下，從節點A到節點B點對點地發送大塊數據。在CAN網絡中，許多短消息(如溫度或轉速)被廣播到整個網絡，這保證了系統中每個節點獲得數據的一致性。

當總線空閑時，連接到總線的單元可以發送消息，即系統為多主站類型。當多個單元同時開始發送消息時，它們的優先級由位于數據幀中的消息標識符解析。一旦，一個特定的單元贏得了總線競爭，消息由該單元發送。其他優先級低的單元可以在總線進入空閑狀態時發送它們的消息。

它是傳感器、執行器和智能設備之間非常簡單、高度可靠和優先級通信協議。基于載波感知多址沖突檢測(CSMA-CD)技術，將生產-消費技術應用于物理介質的訪問。

下面，我們介紹CAN的基礎知識，如消息格式、消息標識符和位仲裁，闡述CAN通信方案的一個主要優點。

2.0 CAN 標準

CAN通信協議ISO-11898: 2003描述了信息如何在網絡上的設備之間傳遞，并符合開放系統互連(OSI)模型，不過其模型只有三層，即只取OSI底層的物理層、數據鏈路層和頂層的應用層。

其信號傳輸介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。CAN可提供高達1Mbps的數據傳輸速率（此時通信距離最長為40m），直接傳輸距離最遠可達10km（速率5Kbps以下）。CAN總線通信接口集成了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、循環冗余檢驗、優先級判別等。CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而對通信數據塊進行編碼。采用這種方法可使網絡內的節點個數在理論上不受限制，但在實際應用中，節點數目受網絡硬件的電氣特性所限制。例如，當使用Philips PCA82C250作為CAN收發器時，同一網絡中允許掛接110個節點。數據塊的標識碼可由11位或29位二進制數組成，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點同時接收到相同的數據，這一點在分布式控制系統中非常有用。

3.0 標準CAN 和擴展CAN

CAN通信協議是一種載波偵聽、多址接入、基于消息優先級的沖突檢測和仲裁(CSMA/CD+AMP)協議。CSMA意味著總線上的每個節點在嘗試發送消息之前必須等待一段規定的不活動時間。CD+AMP意味著沖突通過按位仲裁解決，基于消息標識符字段中每個消息的預編程優先級。優先級較高的標識符總是獲得總線訪問權。也就是說，標識符中最后一個邏輯高位會繼續傳輸，因為它的優先級最高。由于總線上的每個節點都參與“在被寫入時”寫入每個比特，因此仲裁節點知道它是否將邏輯高位位放置在總線上。

ISO-11898:2003標準使用了標準的11位標識符，規定了從125 kbps到1 Mbps的信號速率。該標準后來被修改為“擴展”的29位標識符。標準11位標識符字段可提供2048個不同的消息標識符，而擴展29位標識符可提供5.37億個標識符。

3.1 標準CAN

上圖位段的含義是:

• SOF(幀起始) — SOF(幀起始)由一個單獨的“顯性”位組成。只用當總線空閑時，才允許站開始發送。 所有的站必須同步于首先開始發送消息的站的幀起始前沿。
• Identifier(標識符) — 標準CAN 11位標識符確定消息的優先級。二進制值越低，優先級越高。
• RTR(遠程幀標志) — 當需要從另一個節點獲得信息時，這個遠程傳輸請求(RTR)位為顯性。所有節點都收到請求，但標識符決定指定的節點。響應數據也會被所有節點接收，并供任何感興趣的節點使用。這樣，系統中使用的所有數據都是統一的。
• IDE — 標識符擴展(IDE)位，顯性表示傳輸的是一個沒有擴展的標準CAN標識符。
• r0 — 預留位(為將來的標準修訂可能使用)。
• DLC — 4位數據長度碼(DLC)包含正在傳輸的數據的字節數。
• 數據 — 最多可傳輸64位的應用程序數據。
• CRC — 16位(15位加分隔符)循環冗余校驗(CRC)包含校驗和(傳輸的比特數)的上述應用程序數據進行錯誤檢測。
• ACK — 當節點收到正確消息時，節點在原消息中把這個隱性位重寫為顯性,表示收到消息正確。如果接收節點檢測到錯誤并保留該位隱性，則丟棄消息，發送節點在重新仲裁后重復該消息。通過這種方式,每個節點都確認其數據的完整性。ACK是2位,一個是應答位,第二個是分隔符。
• EOF — 即幀尾(end-of-frame, EOF)， 7個“隱性”位表示CAN幀(消息)的結束。
• IFS — 7位幀間隔空間。

3.2 擴展CAN

如上圖所示，擴展CAN消息與標準消息相同，只是增加了以下內容:

• SRR — 遠程請求(SRR)位取代標準消息位置中的RTR位。
• IDE — 標識符擴展(IDE)位，隱性表示后面有18位擴展標識符。
• r1 — 在RTR和r0位之后，DLC位之前增加的預留位。

4.0 CAN 消息

4.1 仲裁

如下圖所示，CAN總線具有兩種邏輯狀態：顯性或隱形。在隱形狀態下，VCANH和VCANL被固定于平均電壓電平，電平差近似于零；顯性狀態以大于閾值的差分電壓表示。在顯性位期間，顯性狀態改變隱形狀態并發送。

總線訪問是事件驅動的，是隨機發生的。如果兩個節點試圖同時占用總線，則使用非破壞性的逐位仲裁實現訪問。非破壞性意味著贏得仲裁的節點只是繼續處理消息，消息不會被另一個節點破壞或損壞。

在標識符中為消息分配優先級是CAN的一個特性，這使得它特別適合在實時控制環境中使用。二進制消息標識符編號越低，其優先級越高。完全由0組成的標識符是網絡上優先級最高的消息，因為它占用的總線支配時間最長。因此，如果兩個節點同時開始傳輸，一個節點發送最后一個標識符位為0(顯性)，而其他節點發送標識符位為1(隱性)，則該節點保留對CAN總線的控制權，繼續完成其消息。

下圖，顯示了由CAN控制器自動處理的CAN仲裁過程。由于每個節點都在持續監控自己的傳輸，當節點B的隱性比特被節點C的高優先級的顯性比特覆蓋時，節點B會檢測到總線狀態與它傳輸的比特不匹配。因此，節點B停止傳輸，而節點C繼續傳輸它的消息。節點C釋放總線后，節點B會再次嘗試傳輸消息。這個功能是ISO 11898物理信號層的一部分，它完全包含在CAN控制器中，對CAN用戶完全透明。

消息優先級的分配取決于系統設計人員，但行業團體對某些消息的重要性達成一致。例如，電機驅動的制造商可以指定消息0010是來自CAN網絡上的電機的繞組電流反饋信號，0011是轉速表速度。因為0010具有最低的二進制標識符，在總線上，與當前值相關的消息總是比與轉速計讀數相關的消息具有更高的優先級。

在DeviceNet的情況下，來自許多制造商的設備(如接近開關和溫度傳感器)可以合并到同一系統中。由于DeviceNet傳感器生成的消息已經由開放DeviceNet 供應商協會 (ODVA)預定義，因此無論實際制造商是誰，某種消息總是與特定類型的傳感器相關，如溫度。

4.2 消息類型

可以在CAN總線上傳輸的四種不同的消息類型或幀是，數據幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀。

4.2.1 數據幀

數據幀是最常見的消息類型，由仲裁字段、數據字段、CRC字段和確認字段組成。仲裁字段包含一個11位的標識符和RTR位，后者在數據幀中占主導地位。擴展CAN包含29位的標識符和RTR位。接下來是數據字段，它包含0到8字節的數據，以及CRC字段，它包含用于錯誤檢測的16位校驗和。最后是確認段。

4.2.2 遠程幀

遠程幀的預期目的是從另一個節點請求數據傳輸。遠程幀與數據幀類似，有兩個重要區別。首先，這種類型的消息被仲裁字段中的隱性RTR位標記為遠程幀，其次，沒有數據。

4.2.3 錯誤幀

錯誤幀是違反CAN消息格式規則的特殊消息。當一個節點檢測到消息中的錯誤時，它將被傳輸，并導致網絡中的所有其他節點也發送一個錯誤幀。然后，原來的發送器自動重新傳輸消息。在CAN控制器中，一個復雜的錯誤計數器系統可以確保節點不會因重復傳輸錯誤幀而阻塞總線。

4.2.4 過載幀

為了完整起見，這里提到了過載幀。在格式方面，它與錯誤幀類似，并且它是由一個過于繁忙的節點傳輸的。它主要用于提供消息之間的額外延遲。

4.3 有效幀

當接收到消息的結束EOF段的最后一位隱性，則認為該消息是無錯誤的。EOF段中的有顯性位，則發送節點重復一次傳輸。

4.4 錯誤檢查和故障限制

CAN的健壯性部分歸功于它豐富的錯誤檢查程序。CAN協議包含五種錯誤檢查方法:三種在消息級，兩種在位級。如果消息未能通過這些錯誤檢測方法中的任何一種，則不接受該消息，并從接收節點生成錯誤幀。這迫使發送節點重新發送消息，直到正確接收到它。但是，如果一個故障節點通過不斷重復錯誤而使總線掛起，它的傳輸能力將在達到錯誤限制后被控制器刪除。

消息級別的錯誤檢查由CRC和ACK槽執行。16位的CRC包含了用于錯誤檢測的上述應用程序數據的校驗和，其中有15位的校驗和和1位的定界符。ACK段有兩個比特位，由確認位和確認分隔符位組成。

同樣在消息級別還有形式檢查。此檢查在消息中查找必須總是隱性位的段。如果檢測到顯性位，則產生錯誤。檢查的位是SOF、EOF、ACK分隔符和CRC分隔符位。

在位級，傳輸的每個位都由消息的發送方監視。如果一個數據位(不是仲裁位)被寫入總線，而監測到它的反相位，則會產生一個錯誤。唯一的例外是用于仲裁的消息標識符段，以及需要由顯性位覆蓋隱性位的確認槽。

錯誤檢測的最后一種方法是位填充規則，即在相同邏輯層的六個連續比特相同，則產生錯誤。

5.0 CAN 總線

CAN總線的數據鏈路和物理信號層，通常對系統操作者是透明的，包含在任何實現CAN協議的控制器中。然后通過CAN總線收發器實現與物理介質的連接，形成如下圖所示的系統節點。

總線的兩條信號線CANH和CANL在靜態隱性狀態下被動偏置到?2.5 V。總線上的顯性狀態在CANH和CANL之間形成典型的2v差分信號。

信號是差分的，可以得到其健壯的抗噪性和容錯性。平衡差分信號降低了噪聲耦合，并允許雙絞線上的高信號速率。平衡是指流過每條信號線的電流相等但方向相反，從而產生場抵消效應，這是低噪聲釋放的關鍵。采用平衡差動接收機和雙絞線布線提高了CAN總線的共模抑制能力和抗噪能力。