CAN现场总线

一个通信方式的诞生不是一件简单的事，CAN总线是由德国 Bosch 公司的工程师和一群博士设计的，后被提交给国际标准化组织维护管理。
据不完全统计，世界上已出现过的总线种类近 200 种
IEC/SC65C 成立了 MT9 现场总线修订小组于2001年8月制定出由 10 种类型现场总线组成的第 3 版现场总线标准，该标准于 2003 年 4 月成为正式国际标准。
每种总线都有其产生的背景和应用领域。CAN 适用于汽车工业， Lon 适用于楼宇自动化等。
典型的现场总线协议模型采用 OSI 模型中的三个典型层：物理层、数据链路层和应用层。物理层完成电气连接、实现驱动器/接收器特性、定时、同步、位编码解码。数据链路层分为逻辑链路控制与媒体访问控制两部分，分别完成接收滤波、超载通知、恢复管理，以及应答、帧编码、数据封装拆装、媒体访问管理、出错检测等。
CAN 总线的技术特点：
1、多主工作方式
2、节点信息分为不同的优先级，可满足不同的实时要求3、采用非破坏性的总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁的时间。4、通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送和接收数据，无需专门的“调度”。5、一个节点可以主动要求其他节点发送信息，这种特性叫做“远程终端发送请求（RTR）”。6、CAN 的直线通信距离最长可达 10km（速率 5kbit/s 以下），通信速率最高可达 1Mbit/s（此时通信距离最长为 40m）。
7、CAN 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达 110 个；报文标识符可达 2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制。
8、采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有良好的检错效果。
9、CAN 的每帧信息都有 CRC 校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。
10、CAN 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。
11、CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。

ISO 11898 定义了一个总线结构的拓扑，采用干线和支线的连接方式：干线的两个终端都端接一个 120Ω 的终端电阻；节点通过没有端接电阻的支线连接到总线
CAN总线结构拓扑：




在实际应用中，可通过 CAN 中继器将分支网络连接到干线网络上，每条分支网络都符合ISO 11898 标准，这样可以扩大 CAN 总线通信距离，增加 CAN 总线工作节点的数量。


CAN物理层：
CAN驱动器芯片负责将收发电平转换成差分电压发送到总线网络上

CAN协议约定了两种逻辑状态，存在压差时代表0，是显性位，无压差时代表1，为隐性位。显性状态中 CANH 的额定电压是 3.5V， CANL 是 1.5V，隐性状态中都是2.5V。
显位在与隐位争夺总线的过程中将获胜，也就是如果有多个站点在发送信号，只要有一个站点发送了显位，总线就表现为显位。
这点是CAN总线的精髓
我们来看下为什么显性位可以胜出
下图是驱动器的内部构造图


总线输出参考电压输出 Vref的输出电压是1/2VCC。
在隐性状态中，CANH 和 CANL 输入通过 25kΩ的上拉到VCC/2。
显性的信号电平，由两个晶体管直接拉到电源和地，这是显性胜出的秘密。
每个节点发送一位数据并检测总线状态，一个节点发出隐性位，但是读到的是显性位，表示有优先级更高的节点，显性位的节点继续发送数据，失败的节点退出发送。
二，CAN 链路层：
CAN 总线报文有以下 4 种帧类型：
1）数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。
2）远程帧：总线节点发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。
3）错误帧：任何节点检测到总线错误就发出错误帧。
4）超载帧：超载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。
2.1数据帧

帧起始（SOF）标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个“显性”位组成。所有节点必须同步于首先开始发送报文的节点的帧起始前沿。
2.1.1仲裁场


2.1.1.1    ID
标准帧的仲裁场由 11bit ID（标识符）和 RTR 位（远程发送请求位）组成，在总线空闲时，最先开始发送消息的节点获得发送权，多个节点同时发送时，各发送节点从仲裁段的第一位开始进行仲裁。还记得我们前面说明的显性隐形的竞争问题，ID的值越小，即0越靠前，0越多，其优先级就越高，越容易获得总线的使用权。
举个例子，如果两个节点同时发
送数据如下：
节点 1：00000000111 10111011101111111……
节点 2：00000001111 01011111101001010……
发送到第 8bit 时，节点 2 判断出其他节点在发送高优先级的报文，节点 2 自动停止发送，等待总线空闲。
2.1.1.2    RTR 位
RTR 位在数据帧中为显性，在远程帧中为隐性。数据帧优于远程帧取得控制权。
2.1.2控制场


    DLC 指示数据场里的字节数量
2.2远程帧
前面说过，远程终端发送请求（RTR），即请求其他节点发送数据

第 12bit在数据帧中必须为显性，而在远程帧中必须为隐性。所以ID相同的远程帧优先级小于数据帧。没有数据场，数据长度码的值可以是请求的数据的长度值。其实我个人认为远程帧可以看成是一种特殊的数据帧。
2.3错误帧


2.3.1    错误标志
错误标志分为“错误激活”标志和“错误认可”标志。
CAN通信固定当发送器在发送的位流中检测到 5bit 连续的相同数值时，将自动在实际发送的位流中插入一个补码位（相反逻辑）。因为CAN是串口，一个字节发送多长时间是一定的，如果长时间处于同一电平，可能造成时序错乱。
而检测到出错站点发送“错误激活”标志来指示错误，“错误激活”标志是由 6 个连续的显位组成。“错误认可”标志由“错误认可”站点（出错较多的站点）发出，“错误认可”标志由 6 个连续的隐位组成，这就打破了上面的规定，所以能被节点是别到数据错误。“错误认可”标志由“错误认可”站点（出错较多的站点）发出。
2.3.2    错误界定符
在发送完错误标志以后，就向总线发送隐位并监测总线，直到
检测到 1 个隐位为止，然后它继续向总线发送 7 个隐位，这共 8 个隐位称为错误界定符。


2.4超载帧

超载帧与错误帧的形式相同。超载标志由 6 个显性位组成
2.5帧空间

数据帧或远程帧与先行帧都通过帧间空间来分开。超载帧与错误帧之前没有帧间空间，普通的帧间空间由间歇场和总线空闲场组成。间歇场为 3 个隐性位，数据帧或远程帧在检测到帧结束场后，在发送数据之前，要等待 3 个位时间，在总线空闲场上检测到的显性位被解释为帧起始场。