控制器局域网CAN概述、优势及特点

什么是CAN(控制器局域网)

控制器局域网 (Controller Area Network，简称CAN或者CAN bus) 是一种功能丰富的车用总线标准。被设计用于在不需要主机(Host)的情况下，允许网络上的单片机和仪器相互通信。 它基于消息传递协议，设计之初在车辆上采用复用通信线缆，以降低铜线使用量，后来也被其他行业所使用。CAN创建在基于信息导向传输协定的广播机制(Broadcast Communication Mechanism)上。其根据信息的内容，利用信息标志符(Message Identifier，每个标志符在整个网络中独一无二)来定义内容和消息的优先顺序进行传递，而并非指派特定站点地址(Station Address)的方式。因此，CAN拥有了良好的弹性调整能力，可以在现有网络中增加节点而不用在软、硬件上做出调整。除此之外，消息的传递不基于特殊种类的节点，增加了升级网络的便利性。

优势及特点

特点：

(1) CAN是一个用于连接电子控制单元(ECU)的多主机串行总线标准。电子控制单元有时也被称作节点。CAN网络上需要至少两个节点才可进行通信。节点的复杂程度可以只是简单的输入输出设备，也可以是包含有CAN交互器并搭载了软件的嵌入式组件。所有节点通过两根平行的总线连接在一起。两条电线组成一条双绞线，并且接有120Ω的特性抗。

(2) 数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他(一个或多个)节点发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序。

(3) 多个节点同时发起通信时，优先级低的避让优先级高的，不会对通信线路造成拥塞。

(4) 通信距离最远可达10KM(速率低于5Kbps)速率可达到1Mbps(通信距离小于40M)。

(5) CAN总线传输介质可以是双绞线，同轴电缆，CAN总线适用于大数据量短距离通信或者长距离小数据量，实时性要求比较高，多主多从或者各个节点平等的现场中使用。

优势：

(1) 可在各节点之间实现自由通信：CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识符可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2或2个以上不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。

(2) 结构简单：只有2根线与外部相连，并且内部集成了错误探测和管理模块。

(3) 数据纠错：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，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。

(4) 完成对通信数据的成帧处理：CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。

(5) 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。

CAN总线的数据格式与基本工作原理

数据格式：

(1) CAN-bus通信帧共分为数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。

(2) 数据帧：结构上由7个段组成，其中根据仲裁段ID码长度的不同，分为标准帧(CAN2.0A)和扩展帧(CAN2.0B)结构上由7个段组成，其中根据仲裁段ID码长度的不同，分为标准帧(CAN2.0A)和扩展帧(CAN2.0B)。标准帧为11位，扩展帧为29位。这也是我们在使用中接触最多的格式。

(3) 远程帧：与数据帧相比没有数据段，结构上由7个段组成。当你需要总线上的一个节点向你发送数据，使用次节点的ID,发送一帧远程帧。

(4) 错误帧：虽然CAN总线是可靠性很高的总线，但是依然会出错：CAN总线上会出现5种错误。

(5) 过载帧和帧间隔：过载帧:当某个节点没有做好接收下帧数据将发送过载帧通知节点。帧间隔：只存在于数据帧与远程帧之间，用于帧之间的分离。

基本工作原理：

跟其他总线一样，CAN总线的通信也是通过一种类似于“会议” 的机制实现的，只不过会议的过程并不是由一方(节点)主导，而 是，每一个会议参加人员都可以自由的提出会议议题(多主通信模式)，二者对应关系如下：

仲裁与优先级

假设节点A、B和C都发送相同格式相同类型的帧，如标准格式数据帧，它们竞争总线的过程是

结论：从该分析过程得出结论是：帧ID值越小，优先级越高，对于同为扩展格式数据帧、标准格式远程帧和扩展格式远程帧的情况同理。

CAN总线上的电平

CAN2.0A/B标准规定:总线空闲：CAN_H和CAN_L上的电压为2.5V

传输数据： 显性电平(逻辑 0)：CAN_H 3.5V，CAN_L 1.5V

隐性电平(逻辑 1)：CAN_H 2.5V，CAN_L 2.5V

CAN收发器：

照BOSCH CAN总线标准将0或1逻辑信号转换为标准中规定的电平，同时有反馈功能。

CAN总线的硬件抗干扰：

(1) 在电路中增加共模电感。

(2) 使用更高精度的电阻。

注意：并不是每个节点都需要增加电阻,只需要在总线相聚最远的两个节点使用电阻即可。

电阻也不是固定的120欧姆，根据导线的材质有关。

CAN总线负载率计算

计算例子：

假设CAN总线波特率为250Kbit/s，总线报文发送时间间隔为10ms， 报文为数据帧(8个字节数据)，那么10ms内总线能够支持的最大报文数量为多少?

第一步：根据通信波特率计算10ms总共可以发送多少bit (250000/1000)*10 = 2500bit

第二步：计算最长的一帧报文有多少个bit

1sof + 29id + 1ide + 1rtr + 1srr + 2r + 4dlc + 8*8data

+ 16crc + 2ack + 7eof = 128bit

第三步：计算10ms内可以支持的报文数目

2500/128 ≈ 19

结论:

由上面的计算可知，当10ms间隔的报文数量超过19条时，就会出现丢帧，总线饱和。计算报文数量也是设计CAN网络所要考虑的，可以查阅相关文献看负载率在多少时合适!

责任编辑:tzh