CAN總線基礎知識學習筆記

依照瑞薩公司的《CAN入門書》的組織思路來學習CAN通信的相關知識，并結合網上相關資料以及學習過程中的領悟整理成筆記。好記性不如爛筆頭，加油！

1 CAN的一些基本概念

1.1 什么是CAN總線

CAN 是 Controller Area Network 的縮寫，是 ISO 國際標準化的串行通信協(xié)議。通俗來講，CAN總線就是一種傳輸數據的線，用于在不同的ECU之間傳輸數據。?
CAN總線有兩個ISO國際標準：ISO11898 和 ISO11519。其中：

ISO11898?定義了通信速率為 125 kbps～1 Mbps 的高速 CAN?通信標準，屬于閉環(huán)總線，傳輸速率可達1Mbps，總線長度 ≤ 40米。

ISO11519?定義了通信速率為 10～125 kbps 的低速 CAN?通信標準，屬于開環(huán)總線，傳輸速率為40kbps時，總線長度可達1000米。?

Tips:?<總線的傳輸速率>：又稱為總線的通信速率，指的是位速率。或稱為比特率（和波特率不是一回事），表示的是：單位時間內，通信線路上傳輸的二進制位的數量，其基本單位是 bps 或者 b/s (bit per second)。

1.2 CAN的拓撲結構

下圖中，左邊是高速CAN總線的拓撲結構，右邊是低速CAN總線的拓撲結構。?

如圖中所示，CAN總線包括CAN_H 和 CAN_L 兩根線。節(jié)點通過CAN控制器和CAN收發(fā)器連接到CAN總線上。

Tips?：通常來講，ECU內部集成了CAN控制器和CAN收發(fā)器，但是也有沒集成的，需要自己外加。

1.3 CAN信號表示

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：?

1.4 CAN信號傳輸

發(fā)送過程：?
CAN控制器將CPU傳來的信號轉換為邏輯電平（即邏輯0-顯性電平或者邏輯1-隱性電平）。CAN發(fā)射器接收邏輯電平之后，再將其轉換為差分電平輸出到CAN總線上。?

接收過程：?
CAN接收器將CAN_H 和 CAN_L 線上傳來的差分電平轉換為邏輯電平輸出到CAN控制器，CAN控制器再把該邏輯電平轉化為相應的信號發(fā)送到CPU上。?

概括的講：

發(fā)送方通過使總線電平發(fā)生變化，將其信息傳遞到CAN總線上。

接收方通過監(jiān)聽總線電平，將總線上的消息讀入自己的接收器。

2 CAN通信的特點

2.1 多主工作方式

所謂多主工作方式，指的是：總線上的所有節(jié)點沒有主從之分，大家都處于平等的地位。反應在數據傳輸上，即是：在總線空閑狀態(tài)，任意節(jié)點都可以向總線上發(fā)送消息。

Tips:?<總線空閑狀態(tài)>：當總線上的上出現連續(xù)的11位隱性電平，那么總線就處于空閑狀態(tài)。也就是說對于任意一個節(jié)點而言，只要它監(jiān)聽到總線上連續(xù)出現了11位隱性電平，那么該節(jié)點就會認為總線當前處于空閑狀態(tài)，它就會立即向總線上發(fā)送自己的報文。?
至于為什么連續(xù)出現11位隱性電平，就可以判定+總線處于空閑狀態(tài)，這個問題可以結合CAN協(xié)議的幀結構來進行理解。

在多主工作方式下：

最先向總線發(fā)送消息的節(jié)點獲得總線的發(fā)送權；

當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送消息時，所發(fā)送消息的優(yōu)先權高的那個節(jié)點獲得總線的發(fā)送權。?
例如：Node_A和Node_B同時向總線發(fā)送各自的消息Msg_1和Msg_2，如果Msg_1的優(yōu)先級比Msg_2高，那么Node_A就獲得了總線的發(fā)送權。

2.2 非破壞性位仲裁機制

在CAN協(xié)議中，所有的消息都以固定的幀格式發(fā)送。當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送消息時，對各個消息的標識符（即ID號）進行逐位仲裁，如果某個節(jié)點發(fā)送的消息仲裁獲勝，那么這個節(jié)點將獲取總線的發(fā)送權，仲裁失敗的節(jié)點則立即停止發(fā)送并轉變?yōu)楸O(jiān)聽（接收）狀態(tài)。?
例如：Node_A和Node_B同時向總線發(fā)送各自的消息Msg_1和Msg_2，那么對Msg_1的ID號ID_1和Msg_2的ID號ID_2進行逐位仲裁，如果仲裁結果是：ID_1的優(yōu)先級比ID_2高，那么Msg_1在仲裁中獲勝，于是發(fā)出Msg_1這條報文的節(jié)點Node_A就獲得了總線的發(fā)送權。同時，Msg_2在仲裁中失敗，于是Node_B就轉換到監(jiān)聽總線電平的狀態(tài)。

這種仲裁機制既不會造成已發(fā)送數據的延遲，也不會破壞已經發(fā)送的數據，所以稱為非破壞性仲裁機制。這種仲裁方式的實現機制參見本系列筆記的第二篇CAN協(xié)議數據幀與遙控幀中的介紹。

2.3 系統(tǒng)的柔性

CAN總線上的節(jié)點沒有“地址”的概念，因此在總線上增加節(jié)點時，不會對總線上已有節(jié)點的軟硬件及應用層造成影響。

2.4 通信速度

在同一條CAN線上，所有節(jié)點的通信速度（位速率）必須相同，如果兩條不同通信速度總線上的節(jié)點想要實現信息交互，必須通過網關。?
例如：汽車上一般有兩條CAN總線：500kbps的驅動系統(tǒng)CAN總線和125kbps的舒適系統(tǒng)CAN總線，如果驅動系統(tǒng)CAN總線上的發(fā)動機節(jié)點要把自己的轉速信息發(fā)送給舒適系統(tǒng)CAN總線上的轉速表節(jié)點，那么這兩條總線必須通過網關相連。

2.5 數據傳輸方式

CAN總線可以實現一對一，一對多以及廣播的數據傳輸方式，這依賴于驗收濾波技術。驗收濾波技術的實現機制參見本系列筆記的第二篇CAN協(xié)議幀結構中的介紹。

2.6 遠程數據請求

某個節(jié)點Node_A可以通過發(fā)送“遙控幀”到總線上的方式，請求某個節(jié)點Node_B來發(fā)送由該遙控幀所指定的報文。具體實現方式參見本系列筆記的第二篇CAN協(xié)議幀結構中的介紹。

2.7 錯誤檢測、錯誤通知、錯誤恢復功能

所有的節(jié)點都可以檢測出錯誤（錯誤檢測功能）；

檢測出錯誤的節(jié)點會立即通知總線上其它所有的節(jié)點（錯誤通知功能）；

正在發(fā)送消息的節(jié)點，如果檢測到錯誤，會立即停止當前的發(fā)送，并在同時不斷地重復發(fā)送此消息，直到該消息發(fā)送成功為止（錯誤恢復功能）。

2.8 故障封閉

節(jié)點能夠判斷錯誤的類型，判斷是暫時性的數據錯誤（如噪聲干擾）還是持續(xù)性的數據錯誤（如節(jié)點內部故障），如果判斷是嚴重的持續(xù)性錯誤，那么節(jié)點就會切斷自己與總線的聯(lián)系，從而避免影響總線上其他節(jié)點的正常工作。

CAN通信的上述特點都是基于CAN協(xié)議所定義的多種幀結構來實現的，因此，在下一篇筆記對CAN的幀結構有了了解之后，再做進一步的詳細解釋。

3 CAN通信網絡結構

3.1 OSI基本參照模型

實際上，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?

3.2 CAN協(xié)議網絡層次

在CAN協(xié)議中，ISO標準只對數據鏈路層和物理層做了規(guī)定。對于數據鏈路層和物理層的一部分，ISO11898和ISO11519-2的規(guī)定是相同，但是在物理層的PMD子層和MDI子層是不同的。?

在CAN總線，每一層網絡中定義的事項如下：?