CAN總線和基于CAN總線的高層協(xié)議

CAN總線和基于CAN總線的高層協(xié)議一、本文概述隨著汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展，車輛內(nèi)部各個系統(tǒng)之間的通信變得越來越重要。在眾多通信協(xié)議中，控制器局域網(wǎng)（ControllerAreaNetwork，簡稱CAN）總線因其高可靠性、低成本和強大的實時通信能力而脫穎而出，成為汽車電子通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。本文旨在全面介紹CAN總線的基本原理、特性及其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，并深入探討基于CAN總線的高層協(xié)議，包括其設(shè)計原則、實現(xiàn)方式以及在車輛網(wǎng)絡(luò)中的重要作用。通過本文的閱讀，讀者將能夠深入理解CAN總線的核心技術(shù)，掌握基于CAN的高層協(xié)議設(shè)計方法，為汽車電子通信系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)提供有力支持。二、CAN總線基本原理CAN（ControllerAreaNetwork）總線，即控制器局域網(wǎng)，是一種用于實時應(yīng)用的串行通訊協(xié)議。其設(shè)計初衷是為了解決現(xiàn)代汽車中眾多控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換問題，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。CAN總線以其高可靠性、低成本、高數(shù)據(jù)傳輸速率和長距離傳輸能力等特點，成為了眾多領(lǐng)域中的通信標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括CAN控制器和CAN收發(fā)器，其中CAN控制器負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)、產(chǎn)生CAN協(xié)議所需的各種信號，而CAN收發(fā)器則負(fù)責(zé)將CAN控制器提供的邏輯電平轉(zhuǎn)換成可以在總線上傳輸?shù)牟罘蛛娖?。軟件部分則主要是CAN協(xié)議的實現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀、過載幀以及應(yīng)答幀的生成和解析。CAN總線采用差分信號進行數(shù)據(jù)傳輸，具有較強的抗干擾能力。其通信速率靈活可變，最高速率可達1Mbps（兆位每秒）。CAN總線采用多主工作方式，任何一個節(jié)點都可以在任意時刻主動向其他節(jié)點發(fā)送信息，通信方式靈活，且無需站地址等節(jié)點信息，大大簡化了節(jié)點之間的信息交互過程。在CAN總線中，數(shù)據(jù)以幀的形式進行傳輸，幀類型包括數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀、過載幀和應(yīng)答幀五種。數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀用于節(jié)點之間數(shù)據(jù)的傳輸和請求，錯誤幀用于檢測并糾正通信過程中的錯誤，過載幀用于接收節(jié)點通知發(fā)送節(jié)點暫時不要發(fā)送數(shù)據(jù)，而應(yīng)答幀則用于接收節(jié)點對成功接收到的數(shù)據(jù)幀進行確認(rèn)。CAN總線采用循環(huán)冗余校驗（CRC）來檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤，并通過ACK（應(yīng)答）機制確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。當(dāng)發(fā)送節(jié)點發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，會等待接收節(jié)點的應(yīng)答。如果接收節(jié)點正確接收到數(shù)據(jù)，則會發(fā)送應(yīng)答信號，否則發(fā)送節(jié)點會重新發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN總線還具有較強的錯誤處理和故障隔離能力。當(dāng)總線上的節(jié)點檢測到錯誤時，會向其他節(jié)點發(fā)送錯誤幀，以便其他節(jié)點采取相應(yīng)的措施。當(dāng)某個節(jié)點出現(xiàn)故障時，CAN總線還可以通過故障隔離機制將其從總線中隔離出去，確?？偩€上的其他節(jié)點能夠繼續(xù)正常工作。CAN總線以其高可靠性、低成本、高數(shù)據(jù)傳輸速率和長距離傳輸能力等特點，成為了眾多領(lǐng)域中的通信標(biāo)準(zhǔn)。其基本原理和特性使得CAN總線在各種實時應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。三、CAN總線協(xié)議規(guī)范CAN總線（ControllerAreaNetwork）是一種串行通訊協(xié)議，其設(shè)計初衷是為了在汽車電子控制系統(tǒng)中實現(xiàn)各個電子控制單元（ECU）之間的通信。由于其高性能、高可靠性、低成本等優(yōu)點，CAN總線已經(jīng)在各種工業(yè)自動化、嵌入式系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。物理層：物理層定義了CAN總線上的電氣特性，包括電壓范圍、電纜類型、連接器類型等。CAN總線使用差分電壓信號進行數(shù)據(jù)傳輸，通常使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)。CAN總線的傳輸速率有多種，常見的有250kbps、500kbps和1Mbps等。數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層是CAN總線協(xié)議的核心部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的封裝、傳輸和接收。數(shù)據(jù)鏈路層又分為邏輯鏈路控制（LLC）和媒體訪問控制（MAC）兩個子層。LLC子層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的識別、流量控制和錯誤恢復(fù)等功能。MAC子層則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的封裝、發(fā)送和接收，以及錯誤檢測和仲裁等功能。CAN總線協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式包括幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應(yīng)答場和幀結(jié)束等部分。其中，仲裁場用于確定數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級，數(shù)據(jù)場用于攜帶實際的數(shù)據(jù)信息，CRC場用于檢測數(shù)據(jù)幀在傳輸過程中是否發(fā)生錯誤。應(yīng)用層：應(yīng)用層是CAN總線協(xié)議的最高層，負(fù)責(zé)具體的應(yīng)用協(xié)議和數(shù)據(jù)處理。應(yīng)用層協(xié)議可以根據(jù)具體的應(yīng)用場景進行定制，如ISO11898標(biāo)準(zhǔn)中定義了多種應(yīng)用層協(xié)議，包括ISO14229-1（UDS，統(tǒng)一診斷服務(wù)）等。CAN總線協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀數(shù)據(jù)長度最大為8字節(jié)，傳輸時間短，抗干擾能力強。同時，CAN總線協(xié)議采用了多主站設(shè)計，任何一個節(jié)點都可以在任意時刻主動向其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，保證了通信的靈活性和實時性。CAN總線協(xié)議還具有較強的錯誤處理和恢復(fù)能力。當(dāng)檢測到錯誤時，CAN總線會自動進入錯誤處理狀態(tài)，采取一系列措施來糾正錯誤，如發(fā)送錯誤幀、限制發(fā)送速率等。當(dāng)錯誤得到糾正后，CAN總線會自動恢復(fù)正常工作狀態(tài)。CAN總線協(xié)議規(guī)范是一種高效、可靠、靈活的串行通訊協(xié)議，適用于各種需要高速數(shù)據(jù)傳輸和實時通信的場合。四、基于CAN總線的高層協(xié)議CAN總線作為一種高效、可靠的通信協(xié)議，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，單純依靠CAN總線可能無法滿足某些復(fù)雜應(yīng)用的需求，因此，基于CAN總線的高層協(xié)議應(yīng)運而生。這些高層協(xié)議在CAN總線的基礎(chǔ)上，通過添加更多的功能和特性，使得整個系統(tǒng)更加靈活和強大。DeviceNet協(xié)議：DeviceNet是一個為工業(yè)設(shè)備設(shè)計的開放式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它基于CAN總線，并添加了一些用于設(shè)備級控制和通信的特性和功能。DeviceNet協(xié)議支持多種類型的設(shè)備，包括傳感器、執(zhí)行器、控制器等，使得設(shè)備之間的通信更加簡單和高效。ControlNet協(xié)議：ControlNet是一個用于工業(yè)自動化的高性能網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，同樣基于CAN總線。它支持高速數(shù)據(jù)傳輸和實時控制，特別適用于需要高速、高帶寬通信的工業(yè)自動化系統(tǒng)。ControlNet協(xié)議具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，能夠滿足各種復(fù)雜控制系統(tǒng)的需求。J1939協(xié)議：J1939是一個為商用車輛設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它基于CAN總線，并添加了一些用于車輛級通信和控制的功能。J1939協(xié)議支持多種類型的車輛設(shè)備，包括發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等，使得車輛內(nèi)部的通信更加標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。這些基于CAN總線的高層協(xié)議在各自的領(lǐng)域內(nèi)都發(fā)揮了重要的作用，它們不僅提高了系統(tǒng)的通信效率和可靠性，還降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，基于CAN總線的高層協(xié)議將會在未來得到更廣泛的應(yīng)用。五、CAN總線與高層協(xié)議的實際應(yīng)用CAN總線及其高層協(xié)議在眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，從汽車工業(yè)到工業(yè)自動化，再到醫(yī)療設(shè)備、航空航天等，它們發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在汽車行業(yè)中，CAN總線是車輛內(nèi)部通信的主要手段。無論是發(fā)動機控制、剎車系統(tǒng)、還是車身電子系統(tǒng)，都離不開CAN總線的支持。通過CAN總線，各種傳感器和執(zhí)行器可以實時地交換數(shù)據(jù)，使得車輛能夠安全、高效地運行。同時，基于CAN總線的高層協(xié)議，如ISO11898和ISO14229，為汽車制造商提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使得不同品牌和型號的汽車能夠互相通信，為汽車后市場服務(wù)提供了便利。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，CAN總線同樣發(fā)揮著重要作用。工業(yè)設(shè)備通常需要高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，而CAN總線正是滿足這一需求的理想選擇。通過CAN總線，各種工業(yè)設(shè)備可以實時地交換狀態(tài)信息、控制指令等，實現(xiàn)設(shè)備的協(xié)同工作?；贑AN總線的高層協(xié)議，如DeviceNet和CANopen，為工業(yè)自動化提供了豐富的功能和應(yīng)用場景，使得工業(yè)設(shè)備能夠更加方便地集成到系統(tǒng)中。除此之外，CAN總線及其高層協(xié)議還在醫(yī)療設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在醫(yī)療設(shè)備中，CAN總線可以實現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備之間的通信和數(shù)據(jù)共享，提高醫(yī)療效率。在航空航天領(lǐng)域，CAN總線則能夠滿足高可靠性、高實時性的要求，確保飛行安全。CAN總線及其高層協(xié)議在實際應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，為各個行業(yè)提供了高效、可靠的數(shù)據(jù)通信解決方案。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，CAN總線及其高層協(xié)議將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣。六、CAN總線與高層協(xié)議的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)隨著科技的飛速發(fā)展和智能化時代的來臨，CAN總線及其高層協(xié)議在工業(yè)自動化、汽車制造、航空航天、醫(yī)療器械等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。然而，隨著應(yīng)用需求的不斷提高，CAN總線與高層協(xié)議也面臨著許多發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)。高速與高性能：隨著對數(shù)據(jù)傳輸速率和處理能力的需求日益增長，CAN總線及其高層協(xié)議正朝著更高的速度和性能方向發(fā)展。新型的CAN協(xié)議，如CANFD（FlexibleData-Rate），已經(jīng)提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更大的數(shù)據(jù)包容量，以滿足日益增長的應(yīng)用需求。智能化與網(wǎng)絡(luò)化：隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的深入應(yīng)用，CAN總線與高層協(xié)議也正在向智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。智能化的CAN系統(tǒng)可以自動適應(yīng)不同的工作環(huán)境和應(yīng)用需求，而網(wǎng)絡(luò)化的CAN系統(tǒng)則可以實現(xiàn)更廣泛的設(shè)備互聯(lián)和信息共享。安全性與可靠性：隨著對系統(tǒng)安全性和可靠性的要求不斷提高，CAN總線與高層協(xié)議也需要不斷提升自身的安全性能和可靠性。這包括數(shù)據(jù)加密、身份驗證、錯誤檢測與糾正等方面的技術(shù)提升。復(fù)雜性與兼容性：隨著CAN總線與高層協(xié)議的不斷發(fā)展，系統(tǒng)的復(fù)雜性也在不斷增加。這要求設(shè)計者需要更高的技術(shù)水平和更豐富的經(jīng)驗來應(yīng)對。同時，新的協(xié)議和技術(shù)需要與舊的協(xié)議和技術(shù)保持兼容，這也是一個重大的挑戰(zhàn)。實時性與確定性：在許多應(yīng)用場合中，對CAN總線與高層協(xié)議的實時性和確定性有著極高的要求。例如，在汽車制造中，任何數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t或錯誤都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，如何保證CAN總線與高層協(xié)議的實時性和確定性是一個需要持續(xù)關(guān)注和解決的問題。安全與隱私：隨著CAN總線與高層協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)和智能化領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，數(shù)據(jù)的安全和隱私保護成為了一個重要的問題。如何防止數(shù)據(jù)泄露、非法訪問和惡意攻擊，保障用戶的數(shù)據(jù)安全和隱私，是CAN總線與高層協(xié)議面臨的重要挑戰(zhàn)。CAN總線與高層協(xié)議在面臨眾多發(fā)展趨勢的也面臨著許多挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，我們需要不斷研究和開發(fā)新的技術(shù)，提高CAN總線與高層協(xié)議的性能、安全性和可靠性，以滿足日益增長的應(yīng)用需求。七、結(jié)論隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，車輛內(nèi)部的電子系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，對于通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠踩找嬖鲩L。在這樣的背景下，CAN總線及其基于的高層協(xié)議以其高可靠性、實時性和靈活性成為了車輛內(nèi)部通信的關(guān)鍵技術(shù)。CAN總線的設(shè)計使得它能夠在多種環(huán)境中穩(wěn)定運行，包括高溫、低溫和電磁干擾等惡劣條件。同時，CAN總線的高層協(xié)議如ISO11898和SAEJ1939等，進一步增強了其數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎桶踩?。這些協(xié)議定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層等多個層面，使得CAN總線可以在不同設(shè)備之間實現(xiàn)無縫的數(shù)據(jù)交換。CAN總線及其高層協(xié)議在工業(yè)自動化、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。這些領(lǐng)域的共同特點是對通信的實時性和可靠性有著極高的要求，而CAN總線及其高層協(xié)議正好滿足了這些需求。然而，隨著技術(shù)的進步和應(yīng)用場景的不斷擴展，CAN總線也面臨著一些挑戰(zhàn)。例如，隨著車輛內(nèi)部電子系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，CAN總線可能需要更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更大的帶寬。隨著網(wǎng)絡(luò)安全問題的日益突出，CAN總線及其高層協(xié)議也需要進一步加強安全性能。CAN總線及其基于的高層協(xié)議已經(jīng)成為現(xiàn)代車輛內(nèi)部通信的關(guān)鍵技術(shù)。它們在確保通信的實時性、可靠性和安全性方面發(fā)揮著重要作用。隨著技術(shù)的進步和應(yīng)用場景的不斷擴展，CAN總線及其高層協(xié)議也將繼續(xù)發(fā)展和完善，以滿足未來更加復(fù)雜和多樣化的需求。參考資料：控制器局域網(wǎng)總線（CAN，ControllerAreaNetwork）是一種用于實時應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN協(xié)議用于汽車中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束。該協(xié)議的健壯性使其用途延伸到其他自動化和工業(yè)應(yīng)用。CAN協(xié)議的特性包括完整性的串行數(shù)據(jù)通訊、提供實時支持、傳輸速率高達1Mb/s、同時具有11位的尋址以及檢錯能力?？刂破骶钟蚓W(wǎng)CAN(ControllerAreaNetwork)屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。是由德國博世公司在20世紀(jì)80年代專門為汽車行業(yè)開發(fā)的一種串行通信總線。由于其高性能、高可靠性以及獨特的設(shè)計而越來越受到人們的重視，被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達到10km時，CAN仍可提供高達50kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于CAN總線具有很高的實時性能和應(yīng)用范圍，從位速率最高可達1Mbps的高速網(wǎng)絡(luò)到低成本多線路的50Kbps網(wǎng)絡(luò)都可以任意搭配。因此，CAN己經(jīng)在汽車業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制、安全防護等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。隨著CAN總線在各個行業(yè)和領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對其的通信格式標(biāo)準(zhǔn)化也提出了更嚴(yán)格的要求。1991年CAN總線技術(shù)規(guī)范（Version0）制定并發(fā)布。該技術(shù)規(guī)范共包括A和B兩個部分。其中0A給出了CAN報文標(biāo)準(zhǔn)格式，而0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴展的兩種格式。美國的汽車工程學(xué)會SAE在2000年提出了J1939協(xié)議，此后該協(xié)議成為了貨車和客車中控制器局域網(wǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線技術(shù)也在不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的CAN是基于事件觸發(fā)的，信息傳輸時間的不確定性和優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是它固有的缺陷。當(dāng)總線上傳輸消息密度較小時，這些缺陷對系統(tǒng)的實時性影響較??；但隨著在總線上傳輸消息密度的增加，系統(tǒng)實時性能會急劇下降。為了滿足汽車控制對實時性和傳輸消息密度不斷增長的需要，改善CAN總線的實時性能非常必要。于是，傳統(tǒng)CAN與時間觸發(fā)機制相結(jié)合產(chǎn)生了TTCAN（Time-TriggeredCAN），ISO11898-4己包含了TTCAN。TTCAN總線和傳統(tǒng)CAN總線系統(tǒng)的區(qū)別是：總線上不同的消息定義了不同的時間槽(TimerSlot)。依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/開放系統(tǒng)互連(InternationalStandardi-zationOrganization/OpenSystemInterconnection，ISO/OSI)參考模型，CAN的ISO/OSI參考模型的層結(jié)構(gòu)。CAN總線使用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運行，也可以使用光纜連接，而且在這種總線上總線協(xié)議支持多主控制器。CAN與I2C總線的許多細(xì)節(jié)很類似，但也有一些明顯的區(qū)別。當(dāng)CAN總線上的一個節(jié)點(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點。對每個節(jié)點來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對其進行接收。每組報文開頭的11位字符為標(biāo)識符，定義了報文的優(yōu)先級，這種報文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識符是唯一的，不可能有兩個站發(fā)送具有相同標(biāo)識符的報文。當(dāng)幾個站同時競爭總線讀取時，這種配置十分重要。當(dāng)一個站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識符傳送給本站的CAN芯片，并處于準(zhǔn)備狀態(tài)；當(dāng)它收到總線分配時，轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的站對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。由于CAN總線是一種面向內(nèi)容的編址方案，因此很容易建立高水準(zhǔn)的控制系統(tǒng)并靈活地進行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進一些新站而無需在硬件或軟件上進行修改。當(dāng)所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設(shè)備時，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化，即總線上控制器需要測量數(shù)據(jù)時，可由網(wǎng)上獲得，而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。(1)報文(Message)總線上的數(shù)據(jù)以不同報文格式發(fā)送，但長度受到限制。當(dāng)總線空閑時，任何一個網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點都可以發(fā)送報文。(2)信息路由(InformationRouting)在CAN中，節(jié)點不使用任何關(guān)于系統(tǒng)配置的報文，比如站地址，由接收節(jié)點根據(jù)報文本身特征判斷是否接收這幀信息。因此系統(tǒng)擴展時，不用對應(yīng)用層以及任何節(jié)點的軟件和硬件作改變，可以直接在CAN中增加節(jié)點。(3)標(biāo)識符(Identifier)要傳送的報文有特征標(biāo)識符(是數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的一個域)，它給出的不是目標(biāo)節(jié)點地址，而是這個報文本身的特征。信息以廣播方式在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送，所有節(jié)點都可以接收到。節(jié)點通過標(biāo)識符判定是否接收這幀信息。(4)數(shù)據(jù)一致性應(yīng)確保報文在CAN里同時被所有節(jié)點接收或同時不接收，這是配合錯誤處理和再同步功能實現(xiàn)的。(5)位傳輸速率不同的CAN系統(tǒng)速度不同，但在一個給定的系統(tǒng)里，位傳輸速率是唯一的，并且是固定的。(6)優(yōu)先權(quán)由發(fā)送數(shù)據(jù)的報文中的標(biāo)識符決定報文占用總線的優(yōu)先權(quán)。標(biāo)識符越小，優(yōu)先權(quán)越高。(7)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求(RemoteDataRequest)通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點請求另一節(jié)點發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)?；貞?yīng)節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)幀與請求數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程幀由相同的標(biāo)識符命名。(8)仲裁(Arbitration)只要總線空閑，任何節(jié)點都可以向總線發(fā)送報文。如果有兩個或兩個以上的節(jié)點同時發(fā)送報文，就會引起總線訪問碰撞。通過使用標(biāo)識符的逐位仲裁可以解決這個碰撞。仲裁的機制確保了報文和時間均不損失。當(dāng)具有相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時發(fā)送時，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀。在仲裁期間，每一個發(fā)送器都對發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的總線電平進行比較。如果電平相同，則這個單元可以繼續(xù)發(fā)送，如果發(fā)送的是“隱性”電平而監(jiān)視到的是“顯性”電平，那么這個單元就失去了仲裁，必須退出發(fā)送狀態(tài)。(9)總線狀態(tài)總線有“顯性”和“隱性”兩個狀態(tài)，“顯性”對應(yīng)邏輯“0”，“隱性”對應(yīng)邏輯“1”。“顯性”狀態(tài)和“隱性”狀態(tài)與為“顯性”狀態(tài)，所以兩個節(jié)點同時分別發(fā)送“0”和“1”時，總線上呈現(xiàn)“0”。CAN總線采用二進制不歸零(NRZ)編碼方式，所以總線上不是“0”，就是“1”。但是CAN協(xié)議并沒有具體定義這兩種狀態(tài)的具體實現(xiàn)方式。(10)故障界定(Confinement)CAN節(jié)點能區(qū)分瞬時擾動引起的故障和永久性故障。故障節(jié)點會被關(guān)閉。(11)應(yīng)答接收節(jié)點對正確接收的報文給出應(yīng)答，對不一致報文進行標(biāo)記。(12)CAN通訊距離最大是10公里（設(shè)速率為5Kbps）,或最大通信速率為1Mbps(設(shè)通信距離為40米)。(13)CAN總線上的節(jié)點數(shù)可達110個。通信介質(zhì)可在雙絞線，同軸電纜，光纖中選擇。(14)報文是短幀結(jié)構(gòu)，短的傳送時間使其受干擾概率低，CAN有很好的校驗機制，這些都保證了CAN通信的可靠性。（1）具有實時性強、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點；（2）采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；（3）具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-bus上，形成多主機局部網(wǎng)絡(luò)；（8）報文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。CAN總線的物理層是將ECU連接至總線的驅(qū)動電路。ECU的總數(shù)將受限于總線上的電氣負(fù)荷。物理層定義了物理數(shù)據(jù)在總線上各節(jié)點間的傳輸過程，主要是連接介質(zhì)、線路電氣特性、數(shù)據(jù)的編碼/解碼、位定時和同步的實施標(biāo)準(zhǔn)。BOSCHCAN基本上沒有對物理層進行定義，但基于CAN的ISO標(biāo)準(zhǔn)對物理層進行了定義。設(shè)計一個CAN系統(tǒng)時，物理層具有很大的選擇余地，但必須保證CAN協(xié)議中媒體訪問層非破壞性位仲裁的要求，即出現(xiàn)總線競爭時，具有較高優(yōu)先權(quán)的報文獲取總線競爭的原則，所以要求物理層必須支持CAN總線中隱性位和顯性位的狀態(tài)特征。在沒有發(fā)送顯性位時，總線處于隱性狀態(tài)，空閑時，總線處于隱性狀態(tài)；當(dāng)有一個或多個節(jié)點發(fā)送顯性位，顯性位覆蓋隱性位，使總線處于顯性狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。從物理結(jié)構(gòu)上看，CAN節(jié)點的構(gòu)成如圖7-8所示。在CAN中，物理層從結(jié)構(gòu)上可分為三層：分別是物理信號層(PhysicalLayerSignaling，PLS)、物理介質(zhì)附件(PhysicalMediaAttachment，PMA)層和介質(zhì)從屬接口(MediaDependent：Inter-face，MDI)層。其中PLS連同數(shù)據(jù)鏈路層功能由CAN控制器完成，PMA層功能由CAN收發(fā)器完成，MDI層定義了電纜和連接器的特性。目前也有支持CAN的微處理器內(nèi)部集成了CAN控制器和收發(fā)器電路，如MC68HC908GZl6。PMA和MDI兩層有很多不同的國際或國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也可自行定義，比較流行的是ISOll898定義的高速CAN發(fā)送/接收器標(biāo)準(zhǔn)。CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點不分主從，任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息，通信方式靈活，利用這一特點可方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng)，CAN只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的"調(diào)度"。CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達10km（速率5kbps以下）；通信速率最高可達1Mbps(此時通信距離最長為40m)。CAN上的節(jié)點數(shù)主要決定于總線驅(qū)動電路，目前可達110個；報文標(biāo)識符可達2032種（CAN0A），而擴展標(biāo)準(zhǔn)（CAN0B）的報文標(biāo)識符幾乎不受限制。CAN的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)容，其中邏輯鏈路控制(LogicalLinkcontrol，LLC)完成過濾、過載通知和管理恢復(fù)等功能，媒體訪問控制(MediumAccesscontrol，MAC)子層完成數(shù)據(jù)打包/解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、應(yīng)答、串并轉(zhuǎn)換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的。在CAN2．0B的版本協(xié)議中有兩種不同的幀格式，不同之處為標(biāo)識符域的長度不同，含有11位標(biāo)識符的幀稱之為標(biāo)準(zhǔn)幀，而含有29位標(biāo)識符的幀稱為擴展幀。如CAN1．2版本協(xié)議所描述，兩個版本的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式和遠(yuǎn)程幀格式分別是等效的，而擴展格式是CAN2．0B協(xié)議新增加的特性。為使控制器設(shè)計相對簡單，并不要求執(zhí)行完全的擴展格式，對于新型控制器而言，必須不加任何限制的支持標(biāo)準(zhǔn)格式。但無論是哪種幀格式，在報文傳輸時都有以下四種不同類型的幀：在報文傳輸時，不同的幀具有不同的傳輸結(jié)構(gòu)，下面將分別介紹四種傳輸幀的結(jié)構(gòu)，只有嚴(yán)格按照該結(jié)構(gòu)進行幀的傳輸，才能被節(jié)點正確接收和發(fā)送。(1)數(shù)據(jù)幀由七種不同的位域(BitField)組成：幀起始(Startof)、仲裁域(ArbitrationField)、控制域(ControlField)、數(shù)據(jù)域(DataField)、CRC域(CRCField)、應(yīng)答域(ACKField)和幀結(jié)尾(Endof)。數(shù)據(jù)域的長度可以為0～8個字節(jié)。1)幀起始(SOF)：幀起始(SOF)標(biāo)志著數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，僅由一個“顯性”位組成。在CAN的同步規(guī)則中，當(dāng)總線空閑時(處于隱性狀態(tài))，才允許站點開始發(fā)送(信號)。所有的站點必須同步于首先開始發(fā)送報文的站點的幀起始前沿(該方式稱為“硬同步”)。2)仲裁域：仲裁域由標(biāo)識符和RTR位組成，標(biāo)準(zhǔn)幀格式與擴展幀格式的仲裁域格式不同。標(biāo)準(zhǔn)格式里，仲裁域由1l位標(biāo)識符和RTR位組成。標(biāo)識符位有ID28～IDl8。擴展幀格式里，仲裁域包括29位標(biāo)識符、SRR位、IDE(IdentifierExtension，標(biāo)志符擴展)位、RTR位。其標(biāo)識符有ID28～IDO。為了區(qū)別標(biāo)準(zhǔn)幀格式和擴展幀格式，CANl．0～1．2版本協(xié)議的保留位r1現(xiàn)表示為IDE位。IDE位為顯性，表示數(shù)據(jù)幀為標(biāo)準(zhǔn)格式；IDE位為隱性，表示數(shù)據(jù)幀為擴展幀格式。在擴展幀中，替代遠(yuǎn)程請求(SubstituteRemoteRequest，SRR)位為隱性。仲裁域傳輸順序為從最高位到最低位，其中最高7位不能全為零。RTR的全稱為“遠(yuǎn)程發(fā)送請求(RemoteTransmissionRequest)”。RTR位在數(shù)據(jù)幀里必須為“顯性”，而在遠(yuǎn)程幀里必須為“隱性”。它是區(qū)別數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的標(biāo)志。3)控制域：控制域由6位組成，包括2個保留位(rr1同于CAN總線協(xié)議擴展)及4位數(shù)據(jù)長度碼，允許的數(shù)據(jù)長度值為0～8字節(jié)。4)數(shù)據(jù)域：發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)按照長度代碼指示長度發(fā)送。對于接收的數(shù)據(jù)，同樣如此。它可為0～8字節(jié)，每個字節(jié)包含8位，首先發(fā)送的是MSB(最高位)。5)CRC校驗碼域：它由CRC域(15位)及CRC邊界符(一個隱性位)組成。CRC計算中，被除的多項式包括幀的起始域、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域及15位為0的解除填充的位流給定。此多項式被下列多項式15+14+10+8+7+4+3+1除(系數(shù)按模2計算)，相除的余數(shù)即為發(fā)至總線的CRC序列。發(fā)送時，CRC序列的最高有效位被首先發(fā)送/接收。之所以選用這種幀校驗方式，是由于這種CRC校驗碼對于少于127位的幀是最佳的。6)應(yīng)答域：應(yīng)答域由發(fā)送方發(fā)出的兩個(應(yīng)答間隙及應(yīng)答界定)隱性位組成，所有接收到正確的CRC序列的節(jié)點將在發(fā)送節(jié)點的應(yīng)答間隙上將發(fā)送的這一隱性位改寫為顯性位。因此，發(fā)送節(jié)點將一直監(jiān)視總線信號已確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中至少一個節(jié)點正確地接收到所發(fā)信息。應(yīng)答界定符是應(yīng)答域中第二個隱性位，由此可見，應(yīng)答間隙兩邊有兩個隱性位：CRC域和應(yīng)答界定位。7)幀結(jié)束域：每一個數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀均由一串七個隱性位的幀結(jié)束域結(jié)尾。這樣，接收節(jié)點可以正確檢測到一個幀的傳輸結(jié)束。(2)錯誤幀錯誤幀由兩個不同的域組成：第一個域是來自控制器的錯誤標(biāo)志；第二個域為錯誤分界符。2)錯誤界定：錯誤界定符由8個隱性位組成。傳送了錯誤標(biāo)志以后，每一站就發(fā)送一個隱性位，并一直監(jiān)視總線直到檢測出1個隱性位為止，然后就開始發(fā)送其余7個隱性位。(3)遠(yuǎn)程幀：遠(yuǎn)程幀也有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式，而且都由6個不同的位域組成：幀起始、仲裁域、控制域、CRC域、應(yīng)答域、幀結(jié)尾。與數(shù)據(jù)幀相比，遠(yuǎn)程幀的RTR位為隱性，沒有數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)長度編碼域可以是0～8個字節(jié)的任何值，這個值是遠(yuǎn)程幀請求發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域長度。當(dāng)具有相同仲裁域的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時發(fā)送時，由于數(shù)據(jù)幀的RTR位為顯性，所以數(shù)據(jù)幀獲得優(yōu)先。發(fā)送遠(yuǎn)程幀的節(jié)點可以直接接收數(shù)據(jù)。(4)過載幀過載幀由兩個區(qū)域組成：過載標(biāo)識域及過載界定符域。下述三種狀態(tài)將導(dǎo)致過載幀發(fā)送：1)接收方在接收一幀之前需要過多的時間處理當(dāng)前的數(shù)據(jù)(接收尚未準(zhǔn)備好)；3)如果CAN節(jié)點在錯誤界定符或過載界定符的第8位采樣到一個顯性位節(jié)點會發(fā)送一個過載幀。汽車制造中的應(yīng)用、大型儀器設(shè)備中的應(yīng)用、工業(yè)控制中的應(yīng)用、智能家庭和生活小區(qū)管理中的應(yīng)用以及機器人網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中的應(yīng)用。同時,由于CAN總線本身的特點,其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè),而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn),并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。目前大多數(shù)CAN控制器只做到鏈路層，然而隨著CAN的發(fā)展和應(yīng)用，應(yīng)用層的硬件設(shè)計也成為硬件廠商的考慮范疇?？刂破骶钟蚓W(wǎng)總線（CAN，ControllerAreaNetwork）是一種用于實時應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN協(xié)議用于汽車中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束。該協(xié)議的健壯性使其用途延伸到其他自動化和工業(yè)應(yīng)用。CAN協(xié)議的特性包括完整性的串行數(shù)據(jù)通訊、提供實時支持、傳輸速率高達1Mb/s、同時具有11位的尋址以及檢錯能力?？刂破骶钟蚓W(wǎng)CAN(ControllerAreaNetwork)屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。是由德國博世公司在20世紀(jì)80年代專門為汽車行業(yè)開發(fā)的一種串行通信總線。由于其高性能、高可靠性以及獨特的設(shè)計而越來越受到人們的重視，被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達到10km時，CAN仍可提供高達50kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于CAN總線具有很高的實時性能和應(yīng)用范圍，從位速率最高可達1Mbps的高速網(wǎng)絡(luò)到低成本多線路的50Kbps網(wǎng)絡(luò)都可以任意搭配。因此，CAN己經(jīng)在汽車業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制、安全防護等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。隨著CAN總線在各個行業(yè)和領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對其的通信格式標(biāo)準(zhǔn)化也提出了更嚴(yán)格的要求。1991年CAN總線技術(shù)規(guī)范（Version0）制定并發(fā)布。該技術(shù)規(guī)范共包括A和B兩個部分。其中0A給出了CAN報文標(biāo)準(zhǔn)格式，而0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴展的兩種格式。美國的汽車工程學(xué)會SAE在2000年提出了J1939協(xié)議，此后該協(xié)議成為了貨車和客車中控制器局域網(wǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線技術(shù)也在不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的CAN是基于事件觸發(fā)的，信息傳輸時間的不確定性和優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是它固有的缺陷。當(dāng)總線上傳輸消息密度較小時，這些缺陷對系統(tǒng)的實時性影響較??；但隨著在總線上傳輸消息密度的增加，系統(tǒng)實時性能會急劇下降。為了滿足汽車控制對實時性和傳輸消息密度不斷增長的需要，改善CAN總線的實時性能非常必要。于是，傳統(tǒng)CAN與時間觸發(fā)機制相結(jié)合產(chǎn)生了TTCAN（Time-TriggeredCAN），ISO11898-4己包含了TTCAN。TTCAN總線和傳統(tǒng)CAN總線系統(tǒng)的區(qū)別是：總線上不同的消息定義了不同的時間槽(TimerSlot)。依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/開放系統(tǒng)互連(InternationalStandardi-zationOrganization/OpenSystemInterconnection，ISO/OSI)參考模型，CAN的ISO/OSI參考模型的層結(jié)構(gòu)。CAN總線使用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運行，也可以使用光纜連接，而且在這種總線上總線協(xié)議支持多主控制器。CAN與I2C總線的許多細(xì)節(jié)很類似，但也有一些明顯的區(qū)別。當(dāng)CAN總線上的一個節(jié)點(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點。對每個節(jié)點來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對其進行接收。每組報文開頭的11位字符為標(biāo)識符，定義了報文的優(yōu)先級，這種報文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識符是唯一的，不可能有兩個站發(fā)送具有相同標(biāo)識符的報文。當(dāng)幾個站同時競爭總線讀取時，這種配置十分重要。當(dāng)一個站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識符傳送給本站的CAN芯片，并處于準(zhǔn)備狀態(tài)；當(dāng)它收到總線分配時，轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的站對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。由于CAN總線是一種面向內(nèi)容的編址方案，因此很容易建立高水準(zhǔn)的控制系統(tǒng)并靈活地進行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進一些新站而無需在硬件或軟件上進行修改。當(dāng)所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設(shè)備時，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化，即總線上控制器需要測量數(shù)據(jù)時，可由網(wǎng)上獲得，而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。(1)報文(Message)總線上的數(shù)據(jù)以不同報文格式發(fā)送，但長度受到限制。當(dāng)總線空閑時，任何一個網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點都可以發(fā)送報文。(2)信息路由(InformationRouting)在CAN中，節(jié)點不使用任何關(guān)于系統(tǒng)配置的報文，比如站地址，由接收節(jié)點根據(jù)報文本身特征判斷是否接收這幀信息。因此系統(tǒng)擴展時，不用對應(yīng)用層以及任何節(jié)點的軟件和硬件作改變，可以直接在CAN中增加節(jié)點。(3)標(biāo)識符(Identifier)要傳送的報文有特征標(biāo)識符(是數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的一個域)，它給出的不是目標(biāo)節(jié)點地址，而是這個報文本身的特征。信息以廣播方式在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送，所有節(jié)點都可以接收到。節(jié)點通過標(biāo)識符判定是否接收這幀信息。(4)數(shù)據(jù)一致性應(yīng)確保報文在CAN里同時被所有節(jié)點接收或同時不接收，這是配合錯誤處理和再同步功能實現(xiàn)的。(5)位傳輸速率不同的CAN系統(tǒng)速度不同，但在一個給定的系統(tǒng)里，位傳輸速率是唯一的，并且是固定的。(6)優(yōu)先權(quán)由發(fā)送數(shù)據(jù)的報文中的標(biāo)識符決定報文占用總線的優(yōu)先權(quán)。標(biāo)識符越小，優(yōu)先權(quán)越高。(7)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求(RemoteDataRequest)通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點請求另一節(jié)點發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)?；貞?yīng)節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)幀與請求數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程幀由相同的標(biāo)識符命名。(8)仲裁(Arbitration)只要總線空閑，任何節(jié)點都可以向總線發(fā)送報文。如果有兩個或兩個以上的節(jié)點同時發(fā)送報文，就會引起總線訪問碰撞。通過使用標(biāo)識符的逐位仲裁可以解決這個碰撞。仲裁的機制確保了報文和時間均不損失。當(dāng)具有相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時發(fā)送時，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀。在仲裁期間，每一個發(fā)送器都對發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的總線電平進行比較。如果電平相同，則這個單元可以繼續(xù)發(fā)送，如果發(fā)送的是“隱性”電平而監(jiān)視到的是“顯性”電平，那么這個單元就失去了仲裁，必須退出發(fā)送狀態(tài)。(9)總線狀態(tài)總線有“顯性”和“隱性”兩個狀態(tài)，“顯性”對應(yīng)邏輯“0”，“隱性”對應(yīng)邏輯“1”?！帮@性”狀態(tài)和“隱性”狀態(tài)與為“顯性”狀態(tài)，所以兩個節(jié)點同時分別發(fā)送“0”和“1”時，總線上呈現(xiàn)“0”。CAN總線采用二進制不歸零(NRZ)編碼方式，所以總線上不是“0”，就是“1”。但是CAN協(xié)議并沒有具體定義這兩種狀態(tài)的具體實現(xiàn)方式。(10)故障界定(Confinement)CAN節(jié)點能區(qū)分瞬時擾動引起的故障和永久性故障。故障節(jié)點會被關(guān)閉。(11)應(yīng)答接收節(jié)點對正確接收的報文給出應(yīng)答，對不一致報文進行標(biāo)記。(12)CAN通訊距離最大是10公里（設(shè)速率為5Kbps）,或最大通信速率為1Mbps(設(shè)通信距離為40米)。(13)CAN總線上的節(jié)點數(shù)可達110個。通信介質(zhì)可在雙絞線，同軸電纜，光纖中選擇。(14)報文是短幀結(jié)構(gòu)，短的傳送時間使其受干擾概率低，CAN有很好的校驗機制，這些都保證了CAN通信的可靠性。（1）具有實時性強、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點；（2）采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；（3）具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-bus上，形成多主機局部網(wǎng)絡(luò)；（8）報文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。CAN總線的物理層是將ECU連接至總線的驅(qū)動電路。ECU的總數(shù)將受限于總線上的電氣負(fù)荷。物理層定義了物理數(shù)據(jù)在總線上各節(jié)點間的傳輸過程，主要是連接介質(zhì)、線路電氣特性、數(shù)據(jù)的編碼/解碼、位定時和同步的實施標(biāo)準(zhǔn)。BOSCHCAN基本上沒有對物理層進行定義，但基于CAN的ISO標(biāo)準(zhǔn)對物理層進行了定義。設(shè)計一個CAN系統(tǒng)時，物理層具有很大的選擇余地，但必須保證CAN協(xié)議中媒體訪問層非破壞性位仲裁的要求，即出現(xiàn)總線競爭時，具有較高優(yōu)先權(quán)的報文獲取總線競爭的原則，所以要求物理層必須支持CAN總線中隱性位和顯性位的狀態(tài)特征。在沒有發(fā)送顯性位時，總線處于隱性狀態(tài)，空閑時，總線處于隱性狀態(tài)；當(dāng)有一個或多個節(jié)點發(fā)送顯性位，顯性位覆蓋隱性位，使總線處于顯性狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。從物理結(jié)構(gòu)上看，CAN節(jié)點的構(gòu)成如圖7-8所示。在CAN中，物理層從結(jié)構(gòu)上可分為三層：分別是物理信號層(PhysicalLayerSignaling，PLS)、物理介質(zhì)附件(PhysicalMediaAttachment，PMA)層和介質(zhì)從屬接口(MediaDependent：Inter-face，MDI)層。其中PLS連同數(shù)據(jù)鏈路層功能由CAN控制器完成，PMA層功能由CAN收發(fā)器完成，MDI層定義了電纜和連接器的特性。目前也有支持CAN的微處理器內(nèi)部集成了CAN控制器和收發(fā)器電路，如MC68HC908GZl6。PMA和MDI兩層有很多不同的國際或國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也可自行定義，比較流行的是ISOll898定義的高速CAN發(fā)送/接收器標(biāo)準(zhǔn)。CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點不分主從，任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息，通信方式靈活，利用這一特點可方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng)，CAN只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的"調(diào)度"。CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達10km（速率5kbps以下）；通信速率最高可達1Mbps(此時通信距離最長為40m)。CAN上的節(jié)點數(shù)主要決定于總線驅(qū)動電路，目前可達110個；報文標(biāo)識符可達2032種（CAN0A），而擴展標(biāo)準(zhǔn)（CAN0B）的報文標(biāo)識符幾乎不受限制。CAN的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)容，其中邏輯鏈路控制(LogicalLinkcontrol，LLC)完成過濾、過載通知和管理恢復(fù)等功能，媒體訪問控制(MediumAccesscontrol，MAC)子層完成數(shù)據(jù)打包/解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、應(yīng)答、串并轉(zhuǎn)換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的。在CAN2．0B的版本協(xié)議中有兩種不同的幀格式，不同之處為標(biāo)識符域的長度不同，含有11位標(biāo)識符的幀稱之為標(biāo)準(zhǔn)幀，而含有29位標(biāo)識符的幀稱為擴展幀。如CAN1．2版本協(xié)議所描述，兩個版本的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式和遠(yuǎn)程幀格式分別是等效的，而擴展格式是CAN2．0B協(xié)議新增加的特性。為使控制器設(shè)計相對簡單，并不要求執(zhí)行完全的擴展格式，對于新型控制器而言，必須不加任何限制的支持標(biāo)準(zhǔn)格式。但無論是哪種幀格式，在報文傳輸時都有以下四種不同類型的幀：在報文傳輸時，不同的幀具有不同的傳輸結(jié)構(gòu)，下面將分別介紹四種傳輸幀的結(jié)構(gòu)，只有嚴(yán)格按照該結(jié)構(gòu)進行幀的傳輸，才能被節(jié)點正確接收和發(fā)送。(1)數(shù)據(jù)幀由七種不同的位域(BitField)組成：幀起始(Startof)、仲裁域(ArbitrationField)、控制域(ControlField)、數(shù)據(jù)域(DataField)、CRC域(CRCField)、應(yīng)答域(ACKField)和幀結(jié)尾(Endof)。數(shù)據(jù)域的長度可以為0～8個字節(jié)。1)幀起始(SOF)：幀起始(SOF)標(biāo)志著數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，僅由一個“顯性”位組成。在CAN的同步規(guī)則中，當(dāng)總線空閑時(處于隱性狀態(tài))，才允許站點開始發(fā)送(信號)。所有的站點必須同步于首先開始發(fā)送報文的站點的幀起始前沿(該方式稱為“硬同步”)。2)仲裁域：仲裁域由標(biāo)識符和RTR位組成，標(biāo)準(zhǔn)幀格式與擴展幀格式的仲裁域格式不同。標(biāo)準(zhǔn)格式里，仲裁域由1l位標(biāo)識符和RTR位組成。標(biāo)識符位有ID28～IDl8。擴展幀格式里，仲裁域包括29位標(biāo)識符、SRR位、IDE(IdentifierExtension，標(biāo)志符擴展)位、RTR位。其標(biāo)識符有ID28～IDO。為了區(qū)別標(biāo)準(zhǔn)幀格式和擴展幀格式，CANl．0～1．2版本協(xié)議的保留位r1現(xiàn)表示為IDE位。IDE位為顯性，表示數(shù)據(jù)幀為標(biāo)準(zhǔn)格式；IDE位為隱性，表示數(shù)據(jù)幀為擴展幀格式。在擴展幀中，替代遠(yuǎn)程請求(SubstituteRemoteRequest，SRR)位為隱性。仲裁域傳輸順序為從最高位到最低位，其中最高7位不能全為零。RTR的全稱為“遠(yuǎn)程發(fā)送請求(RemoteTransmissionRequest)”。RTR位在數(shù)據(jù)幀里必須為“顯性”，而在遠(yuǎn)程幀里必須為“隱性”。它是區(qū)別數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的標(biāo)志。3)控制域：控制域由6位組成，包括2個保留位(rr1同于CAN總線協(xié)議擴展)及4位數(shù)據(jù)長度碼，允許的數(shù)據(jù)長度值為0～8字節(jié)。4)數(shù)據(jù)域：發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)按照長度代碼指示長度發(fā)送。對于接收的數(shù)據(jù)，同樣如此。它可為0～8字節(jié)，每個字節(jié)包含8位，首先發(fā)送的是MSB(最高位)。5)CRC校驗碼域：它由CRC域(15位)及CRC邊界符(一個隱性位)組成。CRC計算中，被除的多項式包括幀的起始域、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域及15位為0的解除填充的位流給定。此多項式被下列多項式15+14+10+8+7+4+3+1除(系數(shù)按模2計算)，相除的余數(shù)即為發(fā)至總線的CRC序列。發(fā)送時，CRC序列的最高有效位被首先發(fā)送/接收。之所以選用這種幀校驗方式，是由于這種CRC校驗碼對于少于127位的幀是最佳的。6)應(yīng)答域：應(yīng)答域由發(fā)送方發(fā)出的兩個(應(yīng)答間隙及應(yīng)答界定)隱性位組成，所有接收到正確的CRC序列的節(jié)點將在發(fā)送節(jié)點的應(yīng)答間隙上將發(fā)送的這一隱性位改寫為顯性位。因此，發(fā)送節(jié)點將一直監(jiān)視總線信號已確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中至少一個節(jié)點正確地接收到所發(fā)信息。應(yīng)答界定符是應(yīng)答域中第二個隱性位，由此可見，應(yīng)答間隙兩邊有兩個隱性位：CRC域和應(yīng)答界定位。7)幀結(jié)束域：每一個數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀均由一串七個隱性位的幀結(jié)束域結(jié)尾。這樣，接收節(jié)點可以正確檢測到一個幀的傳輸結(jié)束。(2)錯誤幀錯誤幀由兩個不同的域組成：第一個域是來自控制器的錯誤標(biāo)志；第二個域為錯誤分界符。2)錯誤界定：錯誤界定符由8個隱性位組成。傳送了錯誤標(biāo)志以后，每一站就發(fā)送一個隱性位，并一直監(jiān)視總線直到檢測出1個隱性位為止，然后就開始發(fā)送其余7個隱性位。(3)遠(yuǎn)程幀：遠(yuǎn)程幀也有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式，而且都由6個不同的位域組成：幀起始、仲裁域、控制域、CRC域、應(yīng)答域、幀結(jié)尾。與數(shù)據(jù)幀相比，遠(yuǎn)程幀的RTR位為隱性，沒有數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)長度編碼域可以是0～8個字節(jié)的任何值，這個值是遠(yuǎn)程幀請求發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域長度。當(dāng)具有相同仲裁域的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時發(fā)送時，由于數(shù)據(jù)幀的RTR位為顯性，所以數(shù)據(jù)幀獲得優(yōu)先。發(fā)送遠(yuǎn)程幀的節(jié)點可以直接接收數(shù)據(jù)。(4)過載幀過載幀由兩個區(qū)域組成：過載標(biāo)識域及過載界定符域。下述三種狀態(tài)將導(dǎo)致過載幀發(fā)送：1)接收方在接收一幀之前需要過多的時間處理當(dāng)前的數(shù)據(jù)(接收尚未準(zhǔn)備好)；3)如果CAN節(jié)點在錯誤界定符或過載界定符的第8位采樣到一個顯性位節(jié)點會發(fā)送一個過載幀。汽車制造中的應(yīng)用、大型儀器設(shè)備中的應(yīng)用、工業(yè)控制中的應(yīng)用、智能家庭和生活小區(qū)管理中的應(yīng)用以及機器人網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中的應(yīng)用。同時,由于CAN總線本身的特點,其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè),而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn),并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。目前大多數(shù)CAN控制器只做到鏈路層，然而隨著CAN的發(fā)展和應(yīng)用，應(yīng)用層的硬件設(shè)計也成為硬件廠商的考慮范疇。隨著工業(yè)自動化水平的不斷提高，現(xiàn)場總線技術(shù)逐漸成為工業(yè)控制領(lǐng)域的重要支柱。其中，控制器局域網(wǎng)（CAN）總線由于其高性能、高可靠性以及靈活性而得到廣泛應(yīng)用。本文將聚焦于基于CANopen協(xié)議的CAN總線控制系統(tǒng)，對其背景、研究目的、研究方法、實驗