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01CAN總線的起源
1.1 CAN總線的由來
CAN是Controller Area Network的縮寫（以下簡稱CAN）。是ISO國際標準化的串行通信協議。
在當前的汽車產業中，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被開發出來。由于這些系統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，線束的數量也隨之快速增加。為適應“減少線束數量”，“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BOSCH開發出面向汽車的CAN通信協議。
此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進行了標準化，現在在歐洲已是汽車網絡的標準協議。
1.2 CAN總線的歷史
1983年，BOSCH開始研究車上網絡技術
1986年，BOSCH在SAE大會公布CAN協議
1987年，Intel和Philips先后推出CAN控制器芯片
1991年，BOSCH頒布CAN2.0技術規范，CAN2.0包括A和B兩個部分
1991年，CAN總線最先在Benz S系列轎車上實現
1993年，ISO頒布CAN國際標準ISO11898
1994年，SAE頒布基于CAN的J1939標準
2003年，Maybach發布了帶76個ECU的新車型（CAN LIN MOST）
2003年，VW發布帶35個ECU的新型Golf
目前，CAN總線已經被廣泛的應用于汽車上，且未來很長一段時間，CAN總線仍會繼續在車上繼續使用。
1.3?主要的車載網絡協議
圖1 常見車載總線特點對比
MOST總線作為一種新型的總線形式，面向媒體的系統傳輸 總線，MOST 是汽車業合作的成果，而不具備正式的標準，因而目前量產車型中很少見。
LVDS總線在當前的輔助駕駛系統中較為常見，是輔助駕駛系統中攝像頭采集數據的主要傳輸形式，后續若同學們感興趣，會單獨出一篇LVDS的介紹文章與大家分享，感興趣的同學可以關注本賬號，留言回復。
2CAN總線的標準
2.1 CAN2.0版本
2.0A—將29位ID視為錯誤
2.0B被動—忽略29位ID的報文
2.0B主動—可處理11位和29位兩種ID的報文,相對于2.0A增加了拓展幀的數據定義。
?
| ? | 11位ID的數據幀 | 29位ID的數據幀 |
| CAN 2.0B Active | √ | √ |
| CAN 2.0B Passive | √ | √ |
| CAN 2.0A | √ | - |
?
表1 CAN2.0不同版本的區別
2.2 CAN拓撲結構
圖2—高速及低速CAN總線的拓撲結構
CAN總線包括CAN_H 和 CAN_L 兩根線。節點通過CAN控制器和CAN收發器連接到CAN總線上
2.3 CAN總線電平
在CAN總線上，利用CAN_H和CAN_L兩根線上的電位差來表示CAN信號。CAN總線上的電位差分為顯性電平和隱性電平。其中顯性電平為邏輯0，隱性電平為邏輯1。
ISO11898標準（125kbps ~ 1Mbps）和ISO11519標準（10kbps ~ 125kbps）中CAN信號的表示分別如下所示：
圖3 CAN總線的電平信號
圖4 顯性及隱形電平的表示
2.4 CAN總線的分層
圖5 CAN標準的OSI參考模型
CAN總線網絡底層只采用了OSI基本參照模型中的數據鏈路層、傳輸層。而在CAN網絡高層僅采用了OSI基本參照模型的應用層
在CAN協議中，ISO標準只對數據鏈路層和物理層做了規定。對于數據鏈路層和物理層的一部分，ISO11898和ISO11519-2的規定是相同，但是在物理層的PMD子層和MDI子層是不同的。
圖6 物理層與數據鏈路層
其具體的定義內容如下
圖7 物理層與數據鏈路層定義
03CAN總線數據
3.1 CAN的特性
3.1.1 載波偵聽
網絡上各個節點在發送數據前都要檢測總線上是否有數據傳輸
網絡上有數據—不發送數據，等待網絡空閑
網絡上無數據—立即發送已經準備好的數據
3.1.2 多路訪問
網絡上所有的節點收發數據共同使用同一條總線，且發送數據是廣播式的
3.1.3 沖突避免
節點在發送數據過程中要不停地檢測發送的數據，確定是否與其他節點數據發生沖突
3.1.4 保證系統數據一致性
CAN提供了一套復雜的錯誤檢測與錯誤處理機制，比如CRC檢測，接口的抗電干擾能力，錯誤報文的自動重發，臨時錯誤的恢復以及永久錯誤關閉。
?3.2 CAN的幀格式
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。
圖8 CAN總線的幀類型和結構
在標準格式中，報文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標識符和遠程發送請求位 (RTR）組成的仲裁場。RTR位表明是數據幀還是請求幀，在請求幀中沒有數據字節。
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,其后有一個檢測數據錯誤的循環冗余檢查(CRC）。
應答場（ACK）包括應答位和應答分隔符。發送站發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送主控電平（邏輯0）覆蓋它。用這種方法，發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。
3.3 CAN總線的數據幀組成
3.3.1 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。
圖9 遠程幀的格式
3.3.2 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個連續的顯位組成
認可錯誤標志（Passive error flag），由6個連續的隱位組成
錯誤界定符包括8個隱位
圖10 錯誤幀的格式
3.3.3 超載幀
超載幀包括兩個位場：超載標志和超載界定符
發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
3.4 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，它可以將發生的任何錯誤用信號發出。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。
圖11 CAN總線錯誤類型
3.4.1循環冗余檢查（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。如果發送站未收到應答，那么表明接收站發現幀中有錯誤，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中的一個節點可監測自己發出的信號。因此，發送報文的站可以觀測總線電平并探測發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。在五個連續相等位后，發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通過這種編碼規則檢查錯誤，如果在一幀報文中有6個相同位，CAN就知道發生了錯誤。
3.5 CAN總線的錯誤處理
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別、產生的原因及處理方法
3.5.1 錯誤產生的原因
位錯誤:向總線送出一位的某個節點同時也在監視總線，當監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序列是由發送器CRC計算的結果組成的。接收器以和發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點通過發送錯誤標志進行標定。當任何節點檢測出位錯誤、填充錯誤、形式錯誤或應答錯誤時，由該節點在下一位開始發送出錯誤標志。
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送．除非其他出錯條件的錯誤標志已經開始發送。
圖12 CAN總線BUS三種錯誤
在CAN總線中，任何一個單元可能處于下列3種故障狀態之一：錯誤激活狀態（ErrorActive）、錯誤認可狀態（Error Passitive）和總線關閉狀態（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，并且發送后仍為錯誤認可狀態，直到下一次發送初始化。總線關閉狀態不允許單元對總 線有任何影響。
3.5.2 CAN總線錯誤處理
為了界定故障，在每個總線單元中都設有2個計數：發送出錯計數和接收出錯計數。這些 計數按照下列規則進行。
（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）發送器送出一個錯誤標志時，發送器錯誤計數器加8。有兩種情況例外：其一是如果發 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，發送器錯誤計數器計數不改變。
（4）發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，任何節點都最多允許連續7個顯性位。在檢測到第11個連續顯性位后，或緊隨認可錯誤標志檢測到第8個連續的顯性位，以及附加的8個連續的顯性位的每個序列后，每個發送器的發送錯誤計數都加8，并且每個接收器的接收錯誤計數也加8。
（6）報文成功發送后，發送錯誤計數減1，除非計數值已經為0。
（7）報文成功發送后，如果接收錯誤計數處于1～127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，節點進入錯誤認,可狀態，節點送出一個活動錯誤標志。
（9）當發送錯誤計數器大于或等于256時，節點進入總線關閉狀態。
（1O）當發送錯誤計數和接收錯誤計數均小于或等于127時，錯誤認可節點再次變為錯誤激活節點。
（11）在檢測到總線上11個連續的隱性位發送128次后，總線關閉節點將變為2個錯誤計數器均為0的錯誤激活節點。
（12）當錯誤計數器數值大于96時，說明總線被嚴重干擾。
如果系統啟動期間僅有1個節點掛在總線上，此節點發出報文后，將得不到應答，檢查出錯誤并重復該報文，此時該節點可以變為錯誤認可節點，但不會因此關閉總線。
圖13 CAN總線錯誤處理機制
3.6 CAN總線的優點
廢除傳統的站地址編碼，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，當兩個節點同時向網絡上傳送數據時，優先級低的節點主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響繼續傳輸數據，有效避免了總線沖突；
采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個，數據傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發送的時間短；
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，適于在高干擾環境下使用；
節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、成本低等優點；
采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環境中工作；
具有優先權和仲裁功能，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；
發送的信息遭到破壞后，可自動重發；
節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、優先級信息。
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審核編輯：湯梓紅
工商網監
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