淺淡CAN總線，CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在前2天的推送中我們介紹了I2C、SPI 總線，但它們多用于傳輸距離短、協(xié)議簡單、數(shù)據(jù)量小、主要面向 IC（集成電路）間通信的“輕量級”場合。而 CAN 總線則不同，CAN 總線定義了更為優(yōu)秀的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，并且擁有種類豐富、簡繁不一的上層協(xié)議。

什么是CAN 總線

CAN 是“Controller Area Network”的縮寫，即“控制器局域網(wǎng)”，是一個 ISO 標(biāo)準(zhǔn)的串行通信協(xié)議。CAN 總線由德國 BOSCH 公司研發(fā)設(shè)計，用于應(yīng)對汽車上日益龐大的電子控制系統(tǒng)的需求，其最大的特點是可拓展性好，可承受大量數(shù)據(jù)的高速通信，并且高度穩(wěn)定可到。ISO 組織通過 ISO11898 和 ISO11519 對 CAN 總線進行了標(biāo)準(zhǔn)化，使其早早確立了歐洲汽車總線標(biāo)準(zhǔn)的地位。時至今日，CAN 總線已經(jīng)獲得業(yè)界的高度認(rèn)可，其應(yīng)用也從汽車電子領(lǐng)域延伸至工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。

CAN 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CAN 總線的物理連接只需要兩根線，常稱為CAN_H和CAN_L，通過差分信號進行數(shù)據(jù)的傳輸。CAN 總線有兩種電平，分別為隱性電平和顯性電平，這兩種電平有著類似漏極 I/O 電平信號之間“與”的關(guān)系：

·若隱性電平相遇，則總線表現(xiàn)為隱性電平；

·若顯性電平相遇，則總線表現(xiàn)為顯性電平；

·若隱性電平和顯性電平相遇，則總線表現(xiàn)為顯性電平。

一個典型的 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，注意兩端的終端電阻是必需的。

圖1. CAN 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

CAN 總線的幾種數(shù)據(jù)幀

CAN 總線協(xié)議規(guī)定了5種幀，分別是數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯誤幀、過載幀以及幀間隔，實踐中數(shù)據(jù)幀的應(yīng)用最為頻繁。各種幀的用途如表1所示。

表1. CAN 總線數(shù)據(jù)幀的種類及用途

CAN 總線的特點

CAN 總線網(wǎng)絡(luò)是一種真正的多主機網(wǎng)絡(luò)，在總線處于空閑狀態(tài)時，任何一個節(jié)點單元都可以申請成為主機，向總線發(fā)送消息。其原則是：最先訪問總線的節(jié)點單元可以獲得總線的控制權(quán)；多個節(jié)點單元同時嘗試獲取總線的控制權(quán)時，將發(fā)生仲裁事件，具有高優(yōu)先級的節(jié)點單元將獲得總線控制權(quán)。

CAN 協(xié)議中，所有的消息都以固定的數(shù)據(jù)格式打包發(fā)送。兩個以上的節(jié)點單元同時發(fā)送信息時，根據(jù)節(jié)點標(biāo)識符（常稱為 ID，亦打包在固定的數(shù)據(jù)格式中）決定各自優(yōu)先級關(guān)系，所以 ID 并非表示數(shù)據(jù)發(fā)送的目的地址，而是代表著各個節(jié)點訪問總線的優(yōu)先級。如此看來，CAN 總線并無類似其他總線“地址”的概念，在總線上增加節(jié)點單元時，連接在總線的其他節(jié)點單元的軟硬件都不需要改變。

CAN 總線的通信速率和總線長度有關(guān)，在總線長度小于 40m 的場合中，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到 1Mbps，而即便總線長度上升至 1000m，數(shù)據(jù)的傳輸速率仍可達(dá)到 50Kbps，無論在速率還是傳輸距離都明顯優(yōu)于常見的 RS232、RS485 和 I2C 總線。

對于總線錯誤，CAN 總線有錯誤檢測功能、錯誤通知功能、錯誤恢復(fù)功能三種應(yīng)對措施，分別應(yīng)對于下面三點表述：所有的單元節(jié)點都可以自動檢測總線上的錯誤；檢測出錯誤的節(jié)點單元會立刻將錯誤通知給其他節(jié)點單元；若正在發(fā)送消息的單元檢測到當(dāng)前總線發(fā)生錯誤，則立刻強制取消當(dāng)前發(fā)送，并不斷反復(fù)發(fā)送此消息至成功為止。

CAN 總線上的每個節(jié)點都可以通過判斷得出，當(dāng)前總線上的錯誤時暫時的錯誤（如瞬間的強干擾）還是持續(xù)的錯誤（如總線斷裂）。當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)錯誤時，引起故障的節(jié)點單元會自動脫離總線。

CAN 總線上的節(jié)點數(shù)量在理論上沒有上限，但在實際上收到總線上的時間延時及電氣負(fù)載的限制。降低最大通信速率，可以增加節(jié)點單元的連接數(shù)；反之，減少節(jié)點單元的連接數(shù)，則最大通信速率可以提高。