CAN通信详解
CAN通信详解
CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，是一种广泛应用于汽车电子、工业自动化等领域的串行通信协议。本文将从CAN的定义、特点、应用场景、物理层特性、协议层结构以及位时序和仲裁机制等方面，全面解析CAN通信技术的核心原理和应用实践。
1、CAN介绍
1.1、什么是CAN?
CAN（Controller Area Network） 即控制器局域网，是ISO国际标准化的串行通信协议。
开发目的：为了满足汽车产业的“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需求。
发展历程：
CAN标准：
CAN 协议经 ISO 标准化后有 ISO11898 标准和 ISO11519-2 标准两种。ISO11898 和 ISO11519-2 标准对于数据 链路层的定义相同，但物理层不同。
低速CAN(ISO11519)通信速率10~125Kbps，总线长度可达1000米。
高速CAN(ISO11898)通信速率125Kbps~1Mbps，总线长度≤40米。
ISO11898 和 11519-2 物理层的主要不同点
1.2、CAN总线特点
CAN 协议具有一下特点：
1. 多主控制
- 当总线空闲时，所有单元都可以尝试发送消息（多主控制）。
- 通过CSMA/CA（载波监听多路访问/冲突避免）机制进行总线访问，优先级高的消息获得发送权。
- 若多个单元同时发送，则优先级高的消息通过ID仲裁机制获得发送权。
2. 消息的发送
- CAN消息采用固定格式。
- 所有连接在总线上的单元均可在空闲时发送消息。
- 当两个或以上单元同时发送消息时，通过ID仲裁机制（逐位比较ID）决定优先级，优先级高的消息继续发送，优先级低的停止并转为接收。
3. 系统的柔软性
- CAN没有传统的“地址”概念。新单元可直接加入总线，不需要修改已有设备的硬件、软件或应用层配置。
4. 通信速度
- 网络规模决定通信速度，且同一网络内所有单元需保持统一的通信速度。
- 若单个单元通信速度不匹配，则该单元会输出错误信号，影响整个网络的正常通信。
- 不同网络可以采用不同的通信速度。
5. 远程数据请求
- 通过发送“遥控帧”（Remote Frame）来请求其他单元发送数据。
6. 错误检测、通知与恢复
- 所有单元具有错误检测功能，一旦发现错误，会立即通知其他单元（错误通知功能）。
- 检测到错误的单元会强制中断当前发送，并持续重发该消息，直到发送成功（错误恢复功能）。
7. 故障封闭
- CAN能够识别错误类型是暂时性还是持续性。
- 对于持续性错误（如硬件故障、驱动器损坏等），CAN能将故障单元从总线上隔离，确保网络其他部分正常运行。
8. 连接能力
- CAN总线可以连接多个单元，理论上连接数量无限制。
- 实际可连接的单元数受时间延迟和电气负载的影响。通信速度越低，可连接的单元数越多；速度越高，可连接的单元数越少。
1.3、CAN应用场景
CAN总线协议因其高可靠性、实时性和抗干扰性，广泛应用于多个领域。以下是各个领域中的应用概述：
1. 汽车电子
- 动力系统控制：CAN用于连接发动机控制单元（ECU）、变速器控制单元等，实现发动机管理、变速控制等功能。
- 车身控制系统：包括车窗控制、车门锁、座椅调节等。
- 安全系统：如ABS（防抱死刹车系统）、ESP（电子稳定程序）等，CAN总线确保这些系统快速响应，提高车辆安全性。
- 信息娱乐系统：用于中控台显示器、导航、音响系统的通信。
2. 工业自动化
- 工厂自动化设备：CAN广泛用于机器人、传感器、执行器的通信，支持精确的实时控制。
- PLC系统：用于连接可编程逻辑控制器（PLC）和各类外部设备，实现设备联动和控制。
- 运动控制：在CNC（计算机数控）系统中，CAN用于驱动控制，实现高精度加工。
3. 船舶
- 导航和控制系统：CAN用于船舶导航、推进控制等关键系统，确保数据通信的稳定和及时性。
- 电力和照明控制：通过CAN总线连接电力分配、船舶照明系统，实现高效的能耗管理。
4. 医疗设备
- 诊断和监测设备：如心电图机、血压监测仪、呼吸机等，通过CAN总线连接传感器和控制器，保证设备的实时监测和响应。
- 手术机器人：CAN用于控制手术机器人中的多个关节和传感器，实现精确的手术操作。
5. 工业设备
- 重型机械和起重设备：在起重机、挖掘机等大型设备中，CAN总线用于多个控制器之间的通信，确保设备的协调动作。
- 输送设备：如自动化生产线中的输送带、分拣系统等，CAN用于设备之间的同步控制。
2、CAN物理层
2.1、CAN物理层特性
CAN总线上，信号表现为电压形式，通过CAN_H和CAN_L线上的电位差来表示CAN信号，分为显性电平(dominant)和隐性电平(recessive)两种类型。其中显性电平规定为逻辑0，隐性电平则为逻辑1。其具体定义可通过下图来理解。
ISO11898、ISO11519-2 的物理层特征
2.2、CAN收发器芯片介绍
3、CAN协议层
3.1、CAN帧种类介绍
CAN总线以“帧”形式进行通信。CAN协议定义了5种类型的帧：数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、间隔帧，其中数据帧最为常用。数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有 11个位的标识符（ID）， 扩展格式有 29个位的ID。各种帧的用途如表所示：
3.2、CAN数据帧介绍
数据帧由7段组成。数据帧又分为标准帧(CAN2.0A)和扩展帧(CAN2.0B)，主要体现在仲裁段和控制段。
帧起始：表示数据帧开始的段，显性信号；
仲裁段：表示该帧优先级的段，优先级；
控制段：表示数据的字节数及保留位的段；
数据段：数据的内容，一帧可发送 0~8 个字节的数据；
CRC段：检查帧的传输错误的段；
ACK段：表示确认正常接收的段；
帧结束：表示数据帧结束的段，7个隐性信号。
3.3、CAN位时序介绍
由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的位数称为位速率。一个位可分为4 段：同步段(SS)、传播时间段(PTS)、相位缓冲段1(PBS1)和相位缓冲段2(PBS2)。
这些段又由可称为Time Quantum（以下称为Tq）的最小时间单位构成。
1位分为4个段，每个段又由若干个Tq构成，这称为位时序。
1位由多少个Tq构成、每个段又由多少个Tq 构成等，可以任意设定位时序。通过设定位时序，多个单元可同时采样，也可任意设定采样点。各段的作用和Tq数如表所示：
一个位的构成
采样点是指读取总线电平，并将读到的电平作为位值的点。位置在 PBS1结束处。 根据位时序，就可以计算 CAN通信的波特率。
3.4、CAN总线仲裁
CAN总线处于空闲状态，最先开始发送消息的单元获得发送权。
多个单元同时开始发送时，从仲裁段(报文ID)的第一位开始进行仲裁。连续输出显性电平最多的单元可继续发送，即首先出现隐性电平的单元失去对总线的占有权变为接收。
CAN 总线仲裁过程
上图中，单元1和单元2同时开始向总线发送数据，开始部分他们的数据格式是一样的，故无法区分优先级，直到 T时刻，单元1输出隐性电平，而单元2输出显性电平，此时单元1仲裁失利，立刻转入接收状态工作，不再与单元2竞争，而单元2则顺利获得总线使用权，继续发送自己的数据。这就实现了仲裁，让连续发送显性电平多的单元获得总线使用权。