CAN 介绍控制器局域网 CAN 是由 ISO 定义的串行通讯总线它最初出现在 80 年代末的汽车工业里它的基本设计规范要求有高的位速率高抗电磁干扰性而且能够检测出产生的任何错误由于 CAN 串行通讯总线具有这些特性它很自然地在汽车制造业以及航空工业中受到广泛应用 CAN 通讯协议

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饱柯尚
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1 控制器局域网 CAN 未来的工业微处理器串行通讯目录 CAN 介绍... 2 低成本的远程 IO... 2 两种 CAN... 2 报文冲突的处理... 3 交互的通讯... 3 物理层... 3 特定工业领域的定制 CAN... 4 用 CAN 作为解决方案的情况... 4 CAN 总线协议... 4 CAN 控制器... 5 CAN 报文帧类型... 5 总线仲裁... 6 CAN 错误检测... 7 CAN 支持工具... 8 第 1 页共 1 页

2 CAN 介绍控制器局域网 CAN 是由 ISO 定义的串行通讯总线它最初出现在 80 年代末的汽车工业里它的基本设计规范要求有高的位速率高抗电磁干扰性而且能够检测出产生的任何错误由于 CAN 串行通讯总线具有这些特性它很自然地在汽车制造业以及航空工业中受到广泛应用 CAN 通讯协议描述了在设备之间信息如何传递它对层的定义与开放系统互连模型 OSI 一致每一层与另一设备上相同的那一层通讯实际的通讯是发生在每一设备上相邻的两层而设备只通过模型物理层的物理介质互连 CAN 的结构定义了模型的最下面的两层数据链路层和物理层应用层通过不同的新兴协议层专门用于特殊的工业领域加上由个别 CAN 用户定义的任何合适的方案和物理层连接可能最好的 CAN 协议工业标准也许就是 Allen-Bradley 的 DeviceNet 它是为 PLC 和智能传感器设计的国际上广泛应用的 CAN 协议工业标准还有 CANopen 和 SDS 物理介质包括带有特定终端的双绞线在 BasicCAN 的规范中它的传输速率能达到 250KBaud 而 PeliCAN 能达到 1Mbaud 物理层和数据链路层对于系统设计者来说是透明的并包含在所有执行 CAN 协议的部件中这些部件有带有集成 CAN 接口的微控制器例如与 8051 兼容的 Philips P97C591 处理器和 16 位的 Philisp XA 82C200 SJA1000 是一个独立的 CAN 控制器它可以和很多微控制器直接接口而与物理介质连接可以用分离部件或者 82C250 TJA1050 集成电路或相似的方法实现 SIEMENS NEC 和 INTEL 也提供独立的 CAN 控制器低成本的远程 IO 传统上 CAN 是一个基于微控制器的器件互相连接的网络这意味着其每个节点的成本并不是特别的低最有趣的发展成果就是 SLIO 模块这个概念它是一个单芯片能够在 CAN 网络里充当一个沉默的输入输出网关并把报文转化为实际的数字 IO 信号它能读 IO 引脚并把数据当作报文传输它还能使用集成 A/D 转换器来生成报文并传输引进到网络上这些装置非常便宜并且对于驱动远程感应器执行器或采集数字和模拟数据都非常理想它们能够被看作中央微控制器的远程附件现今来说只能使用 BasicCAN SLIO 但毫无疑问 Philips 和其他 PeliCAN 厂家将生产出相应的 PeliCAN 的设备两种 CAN CAN 以两种形式存在一种是具有 11 位 ID 标识符的 BasicCAN 另一种是带有扩展成 29 位 ID 标识符的高级形式 PeliCAN 内部的验收滤波器屏蔽滤波器可通过标识符 ID 来接收需要的报文屏蔽不相关的报文即只向 CPU 提交合适的报文 Philips Intel Siemens 均支持 BasicCAN 和 PeliCAN 同时 PeliCAN 协议允许两段长度的标识符 A 部分使用 11 位报文标识符能够识别出 2032 个不同的标识符保留十六位此部分兼容 BasicCAN 而 PeliCAN B 部分有 29 位能够产生个不同的标识符 PART A 的设备只能用标准的 CAN 协议发送和接收如果在 29 位 ID 的扩展 CAN 系统中使用设备会发生错误并破坏网络 SIEMENS 81C90 和 81C91 是相类似的 PART A 11 位 ID 设备但可在扩展 CAN 上使用而不会引起总线错误原因很简单因为它们忽略了扩展 CAN 帧而是被认为是 PART B 设备 PART B 的设备 PeliCAN 则可由设定工作于其中一种模式下数据链路层定义了报文传输的格式和定时协议这里有两种描述符都能达到 8 字节的数据描述符是非常重要的因为它们定义了报文的优先权以及报文传输的类型第 2 页共 2 页

3 标识符场有 11 位并用来识别报文以及决定总线访问的优先权标识符的二进制值越小其优先权就越高报文的优先权分配是 CAN 总线的特征之一特别在一个强大的实时控制环境里这一点尤其吸引人标识符场中所有的位都能够决定报文的优先权这意味着在一个 11 位系统里面报文的优先权编号号码可以从 16 高优先权到 2032 低优先权 CAN 规范保证了优先权与延时是相关联的报文冲突的处理如前所说 CAN 的一个基本特征是越低的报文编号号码其优先权越高 ---- 一个标识符如果全部是零的话那么它具有最高优先权因而两个节点同时开始传送报文第一个发送零而另一个发送 1 的话那么发送零的那个就能够先分配到 CPU 并完成报文发送这种非破坏性的逐位仲裁与每一个节点都可以监控自己发送的能力联合使用因而如果一个发送器 A 被另一个发送器 B 发送有更高优先权的报文支配 overrule 回读的报文和 A 企图发送的报文不一致 A 将暂停发送一旦总线空闲另一个请求就会马上发送这是第一层的部分功能它完全包含在 CAN 控制器里因此它对 CAN 用户来说是透明的交互的通讯它可以发送一个数据请求到特定的地址远程发送请求 RTR 位定义了报文发送数据请求还是发送实际数据数据长度代码告诉接收器报文里面包含了多少个数据字节如果是数据请求则没有数据字节随传那么数据长度代码就不会与数据字节数有直接关系在 CAN 总线中最大的节点数典型是 32 个但是最终的数量是由物理层的特性决定在总线为 250KB 传送速率的 CAN 系统中根据每个报文的字节数系统每秒钟大约能发送 2000 个到 5000 个报文物理层 CAN 能够使用很多物理介质例如双绞线光纤等只要物理驱动器是在开集电极而且每个节点都能够监听到它自己以及其他所有节点那么 CAN 就能够工作最常用的就是双绞线一个信号能够使用差分电压传送 CAN 驱动器能够因此而避免噪声和容错这两条信号线被称为 CAN_H 和 CAN_L 静态时是 2.5V 用 CAN_H 比 CAN_L 高表示的逻辑 0 被称为显形位而用 CAN_L 比 CAN_H 高表示的逻辑 1 叫做隐性位差分的电压令 CAN 网络即使在一条信号线断开或者在噪声极大的环境中也能够工作只需要一对双绞线差分的 CAN 输入就能够很有效地抵偿噪音只需要该噪音是在通常的波段里 CAN 线收发器提供便宜的接口把 5V 的逻辑电平转换成 CAN 要求的对称线电平第 3 页共 3 页

4 特定工业领域的定制 CAN 报文号码的分配与优先权有关可以由个别的用户字节确定但要注意某些工业集团互相统一了某些报文的意义以及实际使用的协议例如发动机驱动器的制造商可能会决定报文 0x10 在 CAN 网络中是任何线圈的电流反馈信号而 0x11 是转速计速度而 0x10 比 0x11 先有一个零和电流值相关的报文将使和转速计读数相关的报文无效不能传输在 DeviceNet 中不同的制造商生产的多种 PLC 能够相连在一起外围设备如压力和温度传感器都能添加到 CAN 网络里由于预先定义好传感器产生报文 PLCs 将知道哪些报文总是和温度有关而不需要考虑它是哪个厂家的产品用 CAN 作为解决方案的情况 CAN 在微控制器之间需要互相通信或微控制器和远程的外围器件要互相通信的情况下是一个理想的解决方法在它的原始应用环境车中 CAN 最初用于关键任务的实时监控系统例如引擎管理系统和变速箱控制交换信息而在这里 CAN 的短报文和有保证的报文延迟时间允许每一个网络的端口都能用当前的数据工作甚至数据的改变时间在上百个微秒时标的情况下也可以使用这些系统都利用 CAN 控制器的 PeliCAN 将不需要的报文滤出以减少主 CPU 的负载但是低成本的独立 PeliCAN 设备就允许不是实时的任务例如门系统带有窗的升降镜子控制等逐步成为 CAN 网络的一部分实际上传统的线束 CAN 网络在一些情况下甚至在普通的器件上譬如刹车灯和指示灯只是附加的节点代替了两线的 CAN 网络同时 11 个标识符的 BasicCAN 已经越来越广泛地被应用到工业控制领域的一般网络中 PHILIPS 努力发展并正在推广的 PeliCAN 允许微控制器和外围器件之间以 1M 波特的速度进行简单通讯实际上即使是便宜的 SLIO 设备也有高达 16 个 IO 引脚加上原来的 IO 引脚能够分配 6 个 10 位的 A/D 或 D/A 信道 SLIOs 有由外部电阻设定的唯一的标识符因而它们能够识别给它们的报文以及在已接收的报文基础上生成报文工业应用如果使用有 PeliCAN 的 P87C591 它们也生产 CAN 控制器作为普通微控制器的附件微控制器它就能从 PeliCAN 的 1M 波特中获益但是 PeliCAN 的原则是它为微处理单元之间高速数据的交换保留而不是和低速的 IO 端口级通讯 CAN 总线协议 CAN 总线被设计为具有最大传输速率 1Mbit/sec 的多主结构 CAN 不像传统的网络它不会点到点地传送报文例如从 A 节点到 B 节点在 CAN 报文中标识符是给予数据而不是节点报文在网络中广播任何对报文有兴趣的节点都能够接收这个数据例如在车上一个节点可能传送了车轮的速度这个数据可能会同时被 ABS 单元设备组 INSTRUMENT CLUSTER 以及引擎管理系统所接收而这些部件会知道这个信息是从哪里发出在一个典型的嵌入式系统中传送少量的重要数据是必要的这些数据必须在一个实时的时间帧内到达这与非实时的网络譬如在 PC LAN 中传输一个文件不同一般来说 CAN 报文包允许传输最高 8 个字节的数据而总线仲裁的方法保证了一个重要的数据能够在一个保证的时隙内到达 CAN 是特别设计用于电噪声很大的环境这个环境中的报文最容易被丢失或破坏 CAN 协议提供了五种错误检测和修正的方法因此如果报文被破坏它能够检测出来而且网络中的所有节点会忽略这个报文该报文会一直被传送到被准确接收为止从一个设计者的观点来看 CAN 协议主要的吸引之处在于整个协议都是由一块芯片以及程序来运行它看起来就像一个增强的多信道 UART 所有的错误检测传送和接收技术都能够用 CAN 控制器芯片的硬件透明地执行第 4 页共 4 页

CAN 控制器典型的 CAN 节点都带有一个微控制器这个微控制器中专用的 CAN 控制器存储器映射到它的外部地址总线一些控制器被设计成可以作为并行设备和地址总线接口或通过控制器的 UART 的串行接口或者甚至是一对端口引脚和地址总线接口 CAN 控制器要通过线驱动器和总线接口总线典型是双绞线两端都接上一个 120 的电阻 CAN 有发送和接收两端因此它能够同时读写总线

5 CAN 控制器典型的 CAN 节点都带有一个微控制器这个微控制器中专用的 CAN 控制器存储器映射到它的外部地址总线一些控制器被设计成可以作为并行设备和地址总线接口或通过控制器的 UART 的串行接口或者甚至是一对端口引脚和地址总线接口 CAN 控制器要通过线驱动器和总线接口总线典型是双绞线两端都接上一个 120 的电阻 CAN 有发送和接收两端因此它能够同时读写总线这个功能对于错误检测与总线仲裁都很重要 CAN 收发器和物理层并不由 CAN 规范来定义但是只要它符合上述的要求就可以使用例如 RS485 驱动器和 OP AMPS 运算放大器等工具 PHILIPS SILICONIX 和 TEXAS 等都供应专用的 CAN 驱动芯片这些 CAN 收发器有 8 引脚表面装配和 DIP 封装的两种形式 CAN 报文帧类型在 CAN 总线中有四个通讯对象带有应用数据的报文帧向网络请求数据的远程帧能够报告每个节点错误的出错帧如果节点的接收器电路尚未准备好就会延迟传送的过载帧报文帧在标识符前面具有一个帧起始 START OF FRAME 场标识符可以有 29 位扩展 CAN 或者 CAN 2.0B 或者 11 位 CAN 2.0A 当节点接收到一个报文与所使用的 CAN 结构有关的标识符就会与验收滤波器或者用户在 CAN 控制器定义的标识符列表相比较如果标识符通过了验收过滤器或者与列表的标识符匹配它就会被节点接收并产生 CPU 中断因而相同的报文能够被设计者要求的节点所接收标识符同样可以用于仲裁场中如果标识符的编号越低那么报文的优先权就越高标识符后面是控制场控制场包含数据长度场其中的 DLC 规定了数据场中字节的数量 RTR 场将在稍后讨论剩下的场是由 CAN 控制器产生包含了 15 位循环冗余检查对前面的场进行计算和一个应答隙 ACK 场应答隙是报文包中的一个间隙它允许一个已经正确接收报文的节点插入一个应答这等于告诉了发送器报文已经被正确接收如果发送节点没有得到应答它会继续重新发送报文直到得到应答为止第 5 页共 5 页

6 远程请求帧是报文帧的简短形式它用于向网络请求数据传送数据请求的标识符时远程传输请求位 RTR 要置位与标识符相配的节点这时就会将请求的数据用报文帧传送有一点要注意的是 DLC 在远程帧中并不是为零而是被设定成期望接收到的数据字节的数量一般来说远程帧是用在低总线负荷的网络中这种情况下主机会向网络查询数据这就简化了正个系统的设计并避免了总线冲突以上的帧都服从位填充规则这个规则中如果有超过五个连续的 1 或 0 将插入一个极性相反位以防止纯 DC 直流电平这种错误违背规则我们将在介绍总线仲裁后再介绍错误处理总线仲裁 CAN 总线物理层通常是双绞线当逻辑 1 被写进总线里两条线的电平是 2.5V 并被定义为隐性位当逻辑 0 被写进总线里一条线被上拉到为 5V CAN 高另一条线被下拉到地 CAN 低这叫做显形位但是如果显形位和隐性位都被不同的节点同时写进总线里总线显示显形位所以显性位覆盖了隐性位这些都是 CAN 网络冲突检测的基础第 6 页共 6 页

7 当节点开始传送它们各自的报文时标识符的每一个位都被写到总线里而且能够被每一个节点读回如果一个节点写进了隐性位而读回显性位它会知道另一个较低标识符号码的高优先权节点正在访问总线它会停止传送报文并继续接收更重要的报文这种技术叫做非破坏性逐位仲裁它保证了如果发送一个高优先权报文它将会赢得仲裁并能够在一个保证的时间限度里到达它的目的节点这些都由系统设计者来控制必须注意如果两个节点用同样的标识符发出数据两个都会得到总线的仲裁并开始传输数据在某一点数据会不同并产生错误两个节点都会后退并且重新开始整个传输过程在最坏的情况下它会锁死网络 CAN 错误检测 CAN 协议有五种错误检测的方法三个是报文级的而两个是位级的如果一个报文出错那么错误检测的任何一个方法使节点不接收这个报文并产生一个出错帧使所有的帧都忽略它并使发送节点重新发送这个报文在报文级检查中有 CRC 检查和应答隙 CRC 检查是一个 15 位 CRC 它计算描述符场和数据字节的 CRC 应答场有两位包括一个应答位和一个应答界定符这个发送器将会把一个隐性位放在应答场任何一个正确接收报文的节点在应答场写一个显性位如果发送器在应答场没有读回一个显形位它将产生一个出错帧并重新传送报文最后在报文级还有一个形式检查它检查那些总是隐性位的报文场如果检测到显形位就会产生错误它检查帧起始帧结束应答界定符以及 CRC 界定符位在位级检查中每一个位都由发送器监控如果一个位被写进总线但读到的是它的反错误就会产生只有标识符场用于仲裁和应答隙是除外的它要求显性位覆盖隐性位最后的一种错误检测方法是通过位填充规则当一个报文没有被填充即如果在逻辑电平相同的连续 5 位后下一位不是前面的反则产生一个错误活动错误帧包括六个显形位它们违背了位填充规则所有的 CAN 节点都认为它是一个错误并产生自己的错误帧所以错误帧的长度可以在 6 位和 12 位之间错误帧后是 8 位隐性位界定符场而总线在重发被破坏的报文前是空闲的要注意报文在被成功接收之前仍要争取仲裁 CAN 最初是设计用于总线长度大约为 5 10 米的汽车系统但是自从 CAN 发现它要在很多要求增长总线长度的系统中使用后其最大的传送范围不断地增大标准的驱动器能够驱动长度高达 1 公里的总线上述的图表描述了理想的期望传输速率和传输长度的关系第 7 页共 7 页

8 CAN 支持工具虽然 CAN 相对比较年轻但是它已经能被大量的开发工具支持这些工具从简单开发板到大规模的 CAN 分析仪都有位于德国曼兹的 PHYTEC 公司在 P87C591 和 Philips XA 结构的基础上生产出一系列配备 CAN 的微控制器板它包含了微控制器和外围 CAN 控制器 Philips P87C591 或者单一的 CAN 微控制器 SJA1000 P82C200 这些板能够使用 C 语言或者汇编语言来编程并且能使用先进的调试器譬如 Hitex 的 HiTOP PHYTEC 也提供小型的 SLIO 模块位于慕尼黑的 IXXAT 公司生产系列的 CAN 工具和接口它们包括基于普通 PC 卡或者小型 PCMCIA 模块的 CAN-PCMCIA 和 VME 插槽这些对于 CAN 的调试非常有用由于如此紧密地与微控制器相联系现存的工具例如在电路仿真提供非常有用的功能譬如无论是在片或者不在片的状态下都能实时监控 CAN 控制器的输入和输出数据第 8 页共 8 页

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CAN总线技术白皮书.doc CAN 总线技术白皮书关键词 : 非破坏性总线,CAN2.0A,CAN2.0B, 总线仲裁, 位流编码, 位填充, 单元状态摘要 : 本文 CAN 总线工作原理协议规范与帧格式等细节缩略语 : 缩略语 CAN RTR SRR IDE DLC DEL CRC SOF EOF REC TEC IAR IMR ACR AMR SJW MSB LSB 英文全名 Control er Area Network