CAN总线百科

CAN实现总线分配的方法，可保证当不同的站申请总线存取时，明确地进行总线分配。这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。不同于Ethernet网络的消息仲裁，CAN的非破坏性解决总线存取冲突的方法，确保在不传送有用消息时总线不被占用。甚至当总线在重负载情况下，以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统。虽然总线的传输能力不足，所有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理。在CSMA/CD这样的网络中，如Ethernet，系统往往由于过载而崩溃，而这种情况在CAN中不会发生。

CAN的报文格式

在总线中传送的报文，每帧由7部分组成。CAN协议支持两种报文格式，其唯一的不同是标识符（ID）长度不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。

在标准格式中，报文的起始位称为帧起始（SOF），然后是由11位标识符和远程发送请求位 (RTR）组成的仲裁场。RTR位标明是数据帧还是请求帧，在请求帧中没有数据字节。

控制场包括标识符扩展位（IDE），指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一个保留位 (ro），为将来扩展使用。它的最后四个字节用来指明数据场中数据的长度（DLC）。数据场范围为0～8个字节,其后有一个检测数据错误的循环冗余检查(CRC）。

应答场（ACK）包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平（逻辑1），这时正确接收报文的接收站发送主控电平（逻辑0）覆盖它。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。

报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位，如果这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状态。

CAN数据帧的组成

远程帧

远程帧由6个场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。远程帧不存在数据场。

远程帧的RTR位必须是隐位。

DLC的数据值是独立的，它可以是0～8中的任何数值，为对应数据帧的数据长度。

错误帧

错误帧由两个不同场组成，第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，第二个场是错误界定符

错误标志具有两种形式：

活动错误标志（Active error flag），由6个连续的显位组成

认可错误标志（Passive error flag），由6个连续的隐位组成

错误界定符包括8个隐位

超载帧

超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符

发送超载帧的超载条件：

要求延迟下一个数据帧或远程帧

在间歇场检测到显位

超载标志由6个显位组成

超载界定符由8个隐位组成

数据错误检测

不同于其它总线，CAN协议不能使用应答信息。事实上，它可以将发生的任何错误用信号发出。CAN协议可使用五种检查错误的方法，其中前三种为基于报文内容检查。

3.4.1循环冗余检查（CRC)

在一帧报文中加入冗余检查位可保证报文正确。接收站通过CRC可判断报文是否有错。

3.4.2 帧检查

这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性，用于检查格式上的错误。

3.4.3.应答错误

如前所述，被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认。如果发送站未收到应答，那么表明接收站发现帧中有错误，也就是说，ACK场已损坏或网络中的报文无站接收。CAN协议也可通过位检查的方法探测错误。

3.4.4 总线检测

有时，CAN中的一个节点可监测自己发出的信号。因此，发送报文的站可以观测总线电平并探测发送位和接收位的差异。

3.4.5 位填充

一帧报文中的每一位都由不归零码表示，可保证位编码的最大效率。然而，如果在一帧报文中有太多相同电平的位，就有可能失去同步。为保证同步，同步沿用位填充产生。在五个连续相等位后，发送站自动插入一个与之互补的补码位；接收时，这个填充位被自动丢掉。例如，五个连续的低电平位后，CAN自动插入一个高电平位。CAN通过这种编码规则检查错误，如果在一帧报文中有6个相同位，CAN就知道发生了错误。

如果至少有一个站通过以上方法探测到 一个或多个错误，它将发送出错标志终止当前的发送。这可以阻止其它站接收错误的报文，并保证网络上报文的一致性。当大量发送数据被终止后，发送站会自动地重新发送数据。作为规则，在探测到错误后23个位周期内重新开始发送。在特殊场合，系统的恢复时间为31个位周期。

但这种方法存在一个问题，即一个发生错误的站将导致所有数据被终止，其中也包括正确的数据。因此,如果不采取自监测措施，总线系统应采用模块化设计。为此，CAN协议提供一种将偶然错误从永久错误和局部站失败中区别出来的办法。这种方法可以通过对出错站统计评估来确定一个站本身的错误并进入一种不会对其它站产生不良影响的运行方法来实现，即站可以通过关闭自己来阻止正常数据因被错误地当成不正确的数据而被终止。

硬同步和重同步

硬同步只有在总线空闲状态条件下隐形位到显性位的跳变沿发生时才进行，表明报文传输开始。在硬同步之后，位时间计数器随同步段重新开始计数。硬同步强行将已发生的跳变沿置于重新开始的位时间同步段内。根据同步规则，如果某一位时间内已有一个硬同步出现，该位时间内将不会发生再同步。再同步可能导致相位缓冲段1被延长或相位缓冲段2被短。这两个相位缓冲段的延长时间或缩短时间上限由再同步跳转宽度（SJW）给定。

CAN总线可靠性

为防止汽车在使用寿命期内由于数据交换错误而对司机造成危险，汽车的安全系统要求数据传输具有较高的安全性。如果数据传输的可靠性足够高，或者残留下来的数据错误足够低的话，这一目标不难实现。从总线系统数据的角度看，可靠性可以理解为，对传输过程产生的数据错误的识别能力。

残余数据错误的概率可以通过对数据传输可靠性的统计测量获得。它描述了传送数据被破坏和这种破坏不能被探测出来的概率。残余数据错误概率必须非常小，使其在系统整个寿命周期内，按平均统计时几乎检测不到。计算残余错误概率要求能够对数据错误进行分类，并且数据传输路径可由一模型描述。如果要确定CAN的残余错误概率，我们可将残留错误的概率作为具有80～90位的报文传送时位错误概率的函数，并假定这个系统中有5～10个站，并且错误率为1/1000，那么最大位错误概率为10—13数量级。例如，CAN网络的数据传输率最大为1Mbps，如果数据传输能力仅使用50%，那么对于一个工作寿命4000小时、平均报文长度为 80位的系统，所传送的数据总量为9×1010。在系统运行寿命期内，不可检测的传输错误的统计平均小于10—2量级。换句话说，一个系统按每年365天，每天工作8小时，每秒错误率为0. 7计算，那么按统计平均，每1000年才会发生一个不可检测的错误。

CAN总线应用举例

CAN总线在工控领域主要使用低速-容错CAN即ISO11898-3标准，在汽车领域常使用500Kbps的高速CAN。

某进口车型拥有，车身、舒适、多媒体等多个控制网络，其中车身控制使用CAN网络，舒适使用LIN网络，多媒体使用MOST网络，以CAN网为主网，控制发动机、变速箱、ABS等车身安全模块，并将转速、车速、油温等共享至全车，实现汽车智能化控制，如高速时自动锁闭车门，安全气囊弹出时，自动开启车门等功能。

CAN系统又分为高速和低速，高速CAN系统采用硬线是动力型，速度：500kbps，控制ECU、ABS等；低速CAN是舒适型，速度：125Kbps，主要控制仪表、防盗等。

某医院现有5台16T/H德国菲斯曼燃气锅炉，向洗衣房、制剂室、供应室、生活用水、暖气等设施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然气1200万m3，耗用20万吨自来水。医院采用接力式方式供热，对热网进行地域性管理，分四大供热区。其中冬季暖气的用气量很大，据此设计了基于CAN现场总线的分布式锅炉蒸汽热网智能监控系统。现场应用表明：该楼宇自动化系统具有抗干扰能力强，现场组态容易，网络化程度高，人机界面友好等特点。

CAN总线优点

废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工作；

采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据，有效避免了总线冲突；

采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；

每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境下使用；

节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其他操作不受影响；

可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接受数据。

具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；

采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；

具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN-Bus上，形成多主机局部网络；

可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；

可靠的错误处理和检错机制；

发送的信息遭到破坏后，可自动重发；

节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；

报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。

CAN总线测试工具

CAN总线多用于工控和汽车领域，在CAN总线的开发测试阶段，需要对其拓扑结构，节点功能，网路整合等进行开发测试，需要虚拟、半虚拟、全实物仿真测试平台，并且必须测试各节点是否符合ISO11898中规定的错误响应机制等，所以CAN总线的开发需要专业的开发测试工具，并且在生产阶段也需要一批简单易用的生产线测试工具。CAN总线开发测试工具的主要供应商有ZLG、Passion IXXAT、IHR、Vector、Intrepidcs、Passion Warwick等。常用的开发测试工具如CANScope、CANalyst-II、Passiontech DiagRA、canAnalyser、X-Analyser、AutoCAN、CANspider等。

Can总线技术在汽车行业的运用

汽车为什么选择了CAN总路线技术？

从成本上来说，CAN比UART、RS-232/485高，但比以太网低；从实时性来说：CAN的实时性比UART和以太网高，为了保证安全，车用通信协议都是按周期性主动发送，不论是CAN还是LIN，对实时性要求高的消息其发送周期都小于10ms（每辆车都有好几条这样的消息），发动机、ABS和变速器都有几条这样的消息；从可靠性来说，CAN有一系列事故安全措施，这是UART和以太网都不具备的，多点冗余也是UART（点对点传输）和工业以太网（数据传输距离短）难于实现的，所以CAN出现后，由于价格的原因，最初应用得最多的地方并不是汽车，而是对成本不敏感的工业控制和医疗设备。

其次总线是一个系统，总线上的速度仅仅是系统中的一个因素，ElexRay虽然只有20MBPS但它在一个16BIT的MCU上都能跑起来，100MHZ以太网虽快，但一个32BIT的MCU很难达到10MBPS。况且还要涉及到系统的安全性，类似冗余，BUS安全等。所以综合考虑，汽车选择了CAN总线技术。

汽车CAN总路线技术

通过遍布车身的传感器，汽车的各种行驶数据会被发送到“总线”上，这些数据不会指定唯一的接收者，凡是需要这些数据的接收端都可以从“总线”上读取需要的信息。Can总线的传输数据非常快，可以达到每秒传输32bytes有效数据，这样可以有效保证数据的实效性和准确性。传统的轿车在机舱和车身内需要埋设大量线束以传递传感器采集的信号，而Can-Bus总线技术的应用可以大量减少车体内线束的数量，线束的减少则降低了故障发生的可能性。

CAN-Bus介绍

控制器局部网（Controller Area Network）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在中国迅速普及推广。

控制器区域网（Controller Area Network)CAN现场总线已经成为在仪表装置通讯的新标准。它提供高速数据传送，在短距离（40m)条件下具有高速（1Mbit/s）数据传输能力，而在最大距离10000m时具有低速（5kbits/s）传输能力，极适合在高速的工业自控应用上。CAN总线可在同一网络上连接多种不同功用的传感器（如位置，温度或压力等）。