CAN总线相关知识科普

01CAN总线的起源

1.1 CAN总线的由来

CAN是Controller Area Network的缩写（以下简称CAN）。是ISO国际标准化的串行通信协议。

在当前的汽车产业中，出于对安全性，舒适性，方便性，低公害，低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之快速增加。为适应“减少线束数量”，“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986年德国电气商BOSCH开发出面向汽车的CAN通信协议。

此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。

1.2 CAN总线的历史

1983年，BOSCH开始研究车上网络技术

1986年，BOSCH在SAE大会公布CAN协议

1987年，Intel和Philips先后推出CAN控制器芯片

1991年，BOSCH颁布CAN2.0技术规范，CAN2.0包括A和B两个部分

1991年，CAN总线最先在Benz S系列轿车上实现

1993年，ISO颁布CAN国际标准ISO11898

1994年，SAE颁布基于CAN的J1939标准

2003年，Maybach发布了带76个ECU的新车型（CAN LIN MOST）

2003年，VW发布带35个ECU的新型Golf

目前，CAN总线已经被广泛的应用于汽车上，且未来很长一段时间，CAN总线仍会继续在车上继续使用。

1.3 主要的车载网络协议

图1 常见车载总线特点对比

MOST总线作为一种新型的总线形式，面向媒体的系统传输 总线，MOST 是汽车业合作的成果，而不具备正式的标准，因而目前量产车型中很少见。

LVDS总线在当前的辅助驾驶系统中较为常见，是辅助驾驶系统中摄像头采集数据的主要传输形式，后续若同学们感兴趣，会单独出一篇LVDS的介绍文章与大家分享，感兴趣的同学可以关注本账号，留言回复。

2CAN总线的标准

2.1 CAN2.0版本

2.0A—将29位ID视为错误

2.0B被动—忽略29位ID的报文

2.0B主动—可处理11位和29位两种ID的报文,相对于2.0A增加了拓展帧的数据定义。

 

	11位ID的数据帧	29位ID的数据帧
CAN 2.0B Active	√	√
CAN 2.0B Passive	√	√
CAN 2.0A	√	-

 

表1 CAN2.0不同版本的区别

2.2 CAN拓扑结构

图2—高速及低速CAN总线的拓扑结构

CAN总线包括CAN_H 和 CAN_L 两根线。节点通过CAN控制器和CAN收发器连接到CAN总线上

2.3 CAN总线电平

在CAN总线上，利用CAN_H和CAN_L两根线上的电位差来表示CAN信号。CAN总线上的电位差分为显性电平和隐性电平。其中显性电平为逻辑0，隐性电平为逻辑1。

ISO11898标准（125kbps ~ 1Mbps）和ISO11519标准（10kbps ~ 125kbps）中CAN信号的表示分别如下所示：

图3 CAN总线的电平信号

图4 显性及隐形电平的表示

2.4 CAN总线的分层

图5 CAN标准的OSI参考模型

CAN总线网络底层只采用了OSI基本参照模型中的数据链路层、传输层。而在CAN网络高层仅采用了OSI基本参照模型的应用层

在CAN协议中，ISO标准只对数据链路层和物理层做了规定。对于数据链路层和物理层的一部分，ISO11898和ISO11519-2的规定是相同，但是在物理层的PMD子层和MDI子层是不同的。

图6 物理层与数据链路层

其具体的定义内容如下

图7 物理层与数据链路层定义

03CAN总线数据

3.1 CAN的特性

3.1.1 载波侦听

网络上各个节点在发送数据前都要检测总线上是否有数据传输

网络上有数据—不发送数据，等待网络空闲

网络上无数据—立即发送已经准备好的数据

3.1.2 多路访问

网络上所有的节点收发数据共同使用同一条总线，且发送数据是广播式的

3.1.3 冲突避免

节点在发送数据过程中要不停地检测发送的数据，确定是否与其他节点数据发生冲突

3.1.4 保证系统数据一致性

CAN提供了一套复杂的错误检测与错误处理机制，比如CRC检测，接口的抗电干扰能力，错误报文的自动重发，临时错误的恢复以及永久错误关闭。

 3.2 CAN的帧格式

在总线中传送的报文，每帧由7部分组成。CAN协议支持两种报文格式，其唯一的不同是标识符（ID）长度不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。

图8 CAN总线的帧类型和结构

在标准格式中，报文的起始位称为帧起始（SOF），然后是由11位标识符和远程发送请求位 (RTR）组成的仲裁场。RTR位表明是数据帧还是请求帧，在请求帧中没有数据字节。

控制场包括标识符扩展位（IDE），指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一个保留位 (ro），为将来扩展使用。它的最后四个位用来指明数据场中数据的长度（DLC）。数据场范围为0～8个字节,其后有一个检测数据错误的循环冗余检查(CRC）。

应答场（ACK）包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平（逻辑1），这时正确接收报文的接收站发送主控电平（逻辑0）覆盖它。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。

报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位，如果这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状态。

3.3 CAN总线的数据帧组成

3.3.1 远程帧

远程帧由6个场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。远程帧不存在数据场。

远程帧的RTR位必须是隐位。

DLC的数据值是独立的，它可以是0～8中的任何数值，为对应数据帧的数据长度。

图9 远程帧的格式

3.3.2 错误帧

错误帧由两个不同场组成，第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，第二个场是错误界定符

错误标志具有两种形式：

活动错误标志（Active error flag），由6个连续的显位组成

认可错误标志（Passive error flag），由6个连续的隐位组成

错误界定符包括8个隐位

图10 错误帧的格式

3.3.3 超载帧

超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符

发送超载帧的超载条件：

要求延迟下一个数据帧或远程帧

在间歇场检测到显位

超载标志由6个显位组成

超载界定符由8个隐位组成

3.4 数据错误检测

不同于其它总线，CAN协议不能使用应答信息。事实上，它可以将发生的任何错误用信号发出。CAN协议可使用五种检查错误的方法，其中前三种为基于报文内容检查。

图11 CAN总线错误类型

3.4.1循环冗余检查（CRC)

在一帧报文中加入冗余检查位可保证报文正确。接收站通过CRC可判断报文是否有错。

3.4.2 帧检查

这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性，用于检查格式上的错误。

3.4.3.应答错误

如前所述，被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认。如果发送站未收到应答，那么表明接收站发现帧中有错误，也就是说，ACK场已损坏或网络中的报文无站接收。CAN协议也可通过位检查的方法探测错误。

3.4.4 总线检测

有时，CAN中的一个节点可监测自己发出的信号。因此，发送报文的站可以观测总线电平并探测发送位和接收位的差异。

3.4.5 位填充

一帧报文中的每一位都由不归零码表示，可保证位编码的最大效率。然而，如果在一帧报文中有太多相同电平的位，就有可能失去同步。为保证同步，同步沿用位填充产生。在五个连续相等位后，发送站自动插入一个与之互补的补码位；接收时，这个填充位被自动丢掉。例如，五个连续的低电平位后，CAN自动插入一个高电平位。CAN通过这种编码规则检查错误，如果在一帧报文中有6个相同位，CAN就知道发生了错误。

3.5 CAN总线的错误处理

在CAN总线中存在5种错误类型，它们互相并不排斥，下面简单介绍一下它们的区别、产生的原因及处理方法

3.5.1 错误产生的原因

位错误:向总线送出一位的某个节点同时也在监视总线，当监视到总线位的电平和送出的电平不同时，则在该位时刻检测到一个位错误。但是在仲裁区的填充位流期间或应答间隙送出隐性位而检测到显性位时，不认为是错误位。送出认可错误标注的发送器，在检测到显性位时也不认为是错误位。

填充错误:在使用位填充方法进行编码的报文中，出现了第6个连续相同的位电平时，将检 测出一个填充错误。

CRC错误:CRC序列是由发送器CRC计算的结果组成的。接收器以和发送器相同的方法计算CRC。如果计算的结果和接收到的CRC序列不同，则检测出一个CRC错误。

形式错误: 当固定形式的位区中出现一个或多个非法位时，则检测到一个形式错误。

应答错误:在应答间隙，发送器未检测到显性位时，则由它检测出一个应答错误。

检测到出错条件的节点通过发送错误标志进行标定。当任何节点检测出位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，由该节点在下一位开始发送出错误标志。

当检测到CRC错误时。出错标志在应答界定符后面那一位开始发送．除非其他出错条件的错误标志已经开始发送。

图12 CAN总线BUS三种错误

在CAN总线中，任何一个单元可能处于下列3种故障状态之一：错误激活状态（ErrorActive）、错误认可状态（Error Passitive）和总线关闭状态（Bus off）。

错误激活单元可以照常参和总线通信，并且当检测到错误时，送出一个活动错误标志。错误 认可节点可参和总线通信，但是不允许送出活动错误标志。当其检测到错误时，只能送出认可错 误标志，并且发送后仍为错误认可状态，直到下一次发送初始化。总线关闭状态不允许单元对总 线有任何影响。

3.5.2 CAN总线错误处理

为了界定故障，在每个总线单元中都设有2个计数：发送出错计数和接收出错计数。这些 计数按照下列规则进行。

（1）接收器检查出错误时，接收器错误计数器加1，除非所有检测错误是发送活动错误标志或超载标志期间的位错误。

（2）接收器在送出错误标志后的第一位检查出显性位时，错误计数器加8。

（3）发送器送出一个错误标志时，发送器错误计数器加8。有两种情况例外：其一是如果发 送器为错误认可，由于未检测到显性位应答或检测到应答错误，并且在送出其认可错误标志时，未检测到显性位；另外一种情况是如果仲裁器件产生填充错误，发送器送出一个隐性位错误标志，而检测到的是显性位。除以上两种情况外，发送器错误计数器计数不改变。

（4）发送器送出一个活动错误标志或超载标志时，检测到位错误，则发送器错误计数器加8。

（5）在送出活动错误标志、认可错误标志或超载错误标志后，任何节点都最多允许连续7个显性位。在检测到第11个连续显性位后，或紧随认可错误标志检测到第8个连续的显性位，以及附加的8个连续的显性位的每个序列后，每个发送器的发送错误计数都加8，并且每个接收器的接收错误计数也加8。

（6）报文成功发送后，发送错误计数减1，除非计数值已经为0。

（7）报文成功发送后，如果接收错误计数处于1～127之间，则其值减1；如果接收错误计数为0，则仍保持为0；如果大于127，则将其值记为119～127之间的某个数值。

（8）当发送错误计数等于或大于128，或接收错误计数等于或大于128时，节点进入错误认,可状态，节点送出一个活动错误标志。

（9）当发送错误计数器大于或等于256时，节点进入总线关闭状态。

（1O）当发送错误计数和接收错误计数均小于或等于127时，错误认可节点再次变为错误激活节点。

（11）在检测到总线上11个连续的隐性位发送128次后，总线关闭节点将变为2个错误计数器均为0的错误激活节点。

（12）当错误计数器数值大于96时，说明总线被严重干扰。

如果系统启动期间仅有1个节点挂在总线上，此节点发出报文后，将得不到应答，检查出错误并重复该报文，此时该节点可以变为错误认可节点，但不会因此关闭总线。

图13 CAN总线错误处理机制

3.6 CAN总线的优点

废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工作；

采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据，有效避免了总线冲突；

采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；

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；

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。

具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；

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；

具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN-Bus上，形成多主机局部网络；

可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；

可靠的错误处理和检错机制；

发送的信息遭到破坏后，可自动重发；

节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；

报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。

 

　　审核编辑：汤梓红