CAN總線通信原理分析

摘要：介紹了控制器局域網(wǎng)總線(CAN總線)的應(yīng)用特性以及將其應(yīng)用于具體的工程項(xiàng)目時(shí)CAN總線系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)及各層的主要功能。基于CAN總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，通過工程實(shí)踐的具體應(yīng)用以及對(duì)CAN控制器及收發(fā)器硬件結(jié)構(gòu)的深入理解，并從通信的角度出發(fā)著重深入分析了CAN總線通信的節(jié)點(diǎn)同步機(jī)制、總線地址機(jī)制、總線仲裁機(jī)制(即總線的沖突解決機(jī)制)以及總線魯棒性的實(shí)現(xiàn)原理。

關(guān)鍵詞：控制器局域網(wǎng)總線；同步機(jī)制；地址機(jī)制；仲裁機(jī)制；魯棒性實(shí)現(xiàn)

CAN(Controller Area Network)總線，即控制器局域網(wǎng)總線，在工業(yè)控制、醫(yī)療電子、家用電器及傳感器領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)外文獻(xiàn)中針對(duì)CAN總線協(xié)議分析的文章主要是針對(duì)CAN協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)以或位時(shí)序特性進(jìn)行分析，如文獻(xiàn)鮮有從通信的角度對(duì)CAN總線協(xié)議進(jìn)行分析，鮮有從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，對(duì)CAN總線的通信機(jī)制進(jìn)行深入分析的文章。

1 CAN應(yīng)用特性及結(jié)構(gòu)構(gòu)成

CAN總線協(xié)議具有兩個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)，分別是ISO11898和ISO11519。其中，IS011898是通信速率為125 kbps～1 Mbps的高速CAN通信標(biāo)準(zhǔn)，屬于閉環(huán)總線，總線最大長度為40 m／1 Mbps。ISO11519定義了通信速率為10～125 kbps的低速CAN通信標(biāo)準(zhǔn)，屬于開環(huán)總線，最大長度為1 km／40 kbps。由于電氣特性限制，即總線分布電容和分布電阻對(duì)總線波形的影響，CAN總線上最大節(jié)點(diǎn)數(shù)目為110個(gè)。對(duì)于應(yīng)用工程師，只需正確配置收發(fā)端的波特率和位參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)收發(fā)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)同步。通過CAN控制器硬件對(duì)報(bào)文的標(biāo)示符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于CAN報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，并且每幀均包含CRC校驗(yàn)部分，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。CAN總線在工程應(yīng)用中結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖1所示。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的CAN應(yīng)用層、操作系統(tǒng)(在無操作系統(tǒng)的應(yīng)用中以后臺(tái)程序?qū)崿F(xiàn))及驅(qū)動(dòng)程序共同實(shí)現(xiàn)了ISO參考模型中的應(yīng)用層功能。其中，CAN應(yīng)用層定義ID分組、發(fā)送數(shù)據(jù)裝包、接收數(shù)據(jù)處理以及應(yīng)用層總線安全監(jiān)測；操作系統(tǒng)／后臺(tái)程序用于在CAN中斷到達(dá)后調(diào)度CAN驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理；驅(qū)動(dòng)程序包括初始化(控制器工作狀態(tài)設(shè)置、波特率設(shè)置、驗(yàn)收濾波器配置)、收發(fā)驅(qū)動(dòng)及異常處理程序。

對(duì)于傳輸介質(zhì)層，需要根據(jù)環(huán)境干擾噪聲、總線長度等來確定。在強(qiáng)干擾噪聲的情況下必須采用屏蔽線；由于分布電容造成的總線波形失真及分布電阻造成的總線電平的衰減，總線長度需要考慮采用的傳輸介質(zhì)的分布電阻和分布電容特性；同時(shí)，若采用高速總線還需通過實(shí)驗(yàn)確定總線的匹配電阻值。

對(duì)于CAN控制器的實(shí)現(xiàn)，可以選用集成于系統(tǒng)主控芯片的CAN控制器實(shí)現(xiàn)，如恩智浦公司出品的LPC2000系列的微控制器，或者也可以選用分立元件的CAN控制器，如SJA1000。對(duì)于CAN收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)，可以選用CTM1050、TJA1050等。若環(huán)境干擾噪聲較大，則需在控制器和收發(fā)器之間添加隔離芯片或采用集成了隔離功能的CAN收發(fā)器。值得一提的是，恩智浦公司新推出的LPC11C24微控制器芯片中不僅集成了CAN控制器，同時(shí)集成了CAN收發(fā)器功能，對(duì)于CAN總線系統(tǒng)的快速開發(fā)提供了良好的支持。另外，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的總線長度及總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，還需考慮收發(fā)器芯片的發(fā)送和接收的延遲時(shí)間。

對(duì)于CAN驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層，驅(qū)動(dòng)程序包括CAN初始化(包括硬件使能、波特率設(shè)置、控制器工作模式設(shè)置及驗(yàn)收濾波器ID表配置)、收／發(fā)驅(qū)動(dòng)并向上層提供接口函數(shù)，其中需要說明的是驗(yàn)收濾波器的ID表配置需要根據(jù)應(yīng)用層對(duì)系統(tǒng)ID的分組來進(jìn)行；CAN應(yīng)用層根據(jù)總線上各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)包的ID分組、發(fā)送數(shù)據(jù)裝包、接收數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用層總線安全監(jiān)測等。另外，常用的CAN總線上層協(xié)議主要有CANOpen、DeviceNet以及iCAN等。

2 CAN總線同步機(jī)制分析

在進(jìn)行通信過程中，需要解決的最重要的問題之一就是如何實(shí)現(xiàn)收發(fā)端數(shù)據(jù)的同步，即接收端可以正確接收和解析發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)。CAN總線協(xié)議是一種異步串行通信協(xié)議，屬于基帶通信，其同步的實(shí)現(xiàn)源于高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議(HDLC)。具體來說，CAN總線協(xié)議的同步是通過如下所述的3個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)的。

2．1 參數(shù)設(shè)定

通信雙方通過軟件設(shè)置相同的波特率、相同的相位調(diào)整段長度、相同的同步跳轉(zhuǎn)寬度，通過以上3個(gè)元素設(shè)置，定義了CAN總線傳輸過程中的位時(shí)間長度以及采樣點(diǎn)位置，位結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中的CAN時(shí)鐘即是協(xié)議中定義的TQ時(shí)間，該時(shí)鐘是通過外部時(shí)鐘或者CPU外設(shè)時(shí)鐘分頻后得到的CAN控制器的基本時(shí)鐘信號(hào)，SS段對(duì)應(yīng)于起始段，總線上的跳變沿應(yīng)發(fā)生在此段時(shí)間內(nèi)，TESG1對(duì)應(yīng)于傳輸段和相位調(diào)整段1，TESG2對(duì)應(yīng)于相位調(diào)整段2，對(duì)于高速總線，控制器在TESG1和TESG2之間對(duì)總線進(jìn)行采樣判別。

2．2 固定的幀結(jié)構(gòu)

CAN協(xié)議中明確定義的固定的幀結(jié)構(gòu)，便于CAN控制器和收發(fā)器對(duì)總線狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，在CAN2．0協(xié)議規(guī)范中，分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種幀結(jié)構(gòu)，兩者區(qū)別只在于仲裁域，標(biāo)準(zhǔn)幀采用11位標(biāo)識(shí)符，而擴(kuò)展幀有29位標(biāo)識(shí)符，具體的標(biāo)準(zhǔn)幀、擴(kuò)展幀幀結(jié)構(gòu)如表1、表2所示。

2．3 硬同步和再同步

2．3．1 硬同步

所謂硬同步就是指在總線空閑期間(即總線電平表現(xiàn)為連續(xù)的隱性位)，控制器一旦檢測到從隱性電平到顯性電平的跳變，就說明此時(shí)總線上有站點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，則強(qiáng)制CAN控制器的位狀態(tài)計(jì)數(shù)器同步到圖2所示的SS段，同時(shí)位時(shí)鐘從此開始重新計(jì)數(shù)(CAN位時(shí)間由上層軟件設(shè)定)。硬同步用于幀的起始判定。

2．3．2 再同步

在CAN總線協(xié)議中，再同步是基于位填充機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。與HDLC協(xié)議類似，在CAN的幀結(jié)構(gòu)中，從幀起始到CRC序列位為止，一旦檢測到5個(gè)連續(xù)相同極性的位，CAN控制器自動(dòng)插入一個(gè)極性相反的位。再同步就是在數(shù)據(jù)傳輸過程中，CAN控制器通過檢測總線上的跳變沿與節(jié)點(diǎn)內(nèi)部位時(shí)間的差異來調(diào)整相位調(diào)整段1和相位調(diào)整段2，調(diào)整大小是由同步跳轉(zhuǎn)寬度編程設(shè)定的，調(diào)整大小單位為TQ。具體調(diào)整規(guī)則是，在傳輸過程中，由CAN控制器檢測到的總線上的跳變沿如果位于節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的SS位時(shí)間段內(nèi)，則不需要調(diào)整；若跳變沿位于TESG1段，說明總線上的位時(shí)間相對(duì)于節(jié)點(diǎn)的位時(shí)間有延遲，則CAN控制器延長節(jié)點(diǎn)的TESG1位時(shí)間段，若延遲時(shí)間值(T0值)大于同步跳轉(zhuǎn)寬度，延長時(shí)間為同步跳轉(zhuǎn)寬度值，否則節(jié)點(diǎn)的CAN控制器延長其與總線位時(shí)間的差值；若跳變沿位于TESG2段，說明總線上的位時(shí)間相對(duì)于節(jié)點(diǎn)的位時(shí)間有超前，則CAN控制器減少節(jié)點(diǎn)的TESG2位時(shí)間段，具體調(diào)整規(guī)則與TESG1段的調(diào)整規(guī)則相似。

3 CAN總線地址機(jī)制分析

不同于工業(yè)以太網(wǎng)、RS485等總線，CAN總線是通過數(shù)據(jù)包ID而非節(jié)點(diǎn)地址來收發(fā)數(shù)據(jù)的，即CAN總線上的節(jié)點(diǎn)沒有固定的地址，取而代之的是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要通過軟件配置一個(gè)ID表(在該節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)收濾波器單元中)，如果總線上的數(shù)據(jù)包的ID號(hào)在該節(jié)點(diǎn)的ID表中存在，則數(shù)據(jù)包成功通過該節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)收濾波器單元的驗(yàn)收，并將被送到上層軟件處理單元并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，否則，該數(shù)據(jù)包被丟棄。舉例來說，若總線上的節(jié)點(diǎn)A想發(fā)送數(shù)據(jù)包到節(jié)點(diǎn)B，則該數(shù)據(jù)包的ID號(hào)必須位于節(jié)點(diǎn)B的ID表中，同理，若節(jié)點(diǎn)A想廣播數(shù)據(jù)包到總線上，則該數(shù)據(jù)包的ID號(hào)必須位于總線上所有其它節(jié)點(diǎn)的ID表中。如前所述，ID表是通過軟件進(jìn)行配置的，但驗(yàn)收濾波功能卻是通過CAN控制器中的驗(yàn)收濾波器這個(gè)硬件單元進(jìn)行的，所以從速度上來說，驗(yàn)收造成的延遲很小。另外，采用這種地址機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)還在于是采用此總線的系統(tǒng)具有很高的靈活性，即新加入或刪除的節(jié)點(diǎn)不會(huì)影響系統(tǒng)原有節(jié)點(diǎn)間的通信。

下面將以恩智浦公司的LPC2478芯片集成的CAN控制器為例，具體說明CAN總線系統(tǒng)的地址配置方法。如圖3所示，首先根據(jù)總線上所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行分類，即對(duì)數(shù)據(jù)包ID和相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃，例如在我們的系統(tǒng)中主要有如下幾類數(shù)據(jù)包：查詢數(shù)據(jù)包、控制命令數(shù)據(jù)包(包括動(dòng)作和參數(shù)數(shù)據(jù)包)、報(bào)警數(shù)據(jù)包及反饋參數(shù)數(shù)據(jù)包，對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)特性是查詢數(shù)據(jù)包和控制命令數(shù)據(jù)包主要是主站發(fā)送給各從站單元，而報(bào)警數(shù)據(jù)包和反饋參數(shù)數(shù)據(jù)包主要由從站各節(jié)點(diǎn)單元發(fā)送給主站單元節(jié)點(diǎn)。然后，根據(jù)ID分類情況配置各節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)收濾波器單元，具體的配置方法是：首先根據(jù)節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)配置相應(yīng)的驗(yàn)收濾波器工作模式：關(guān)閉模式(不接收總線報(bào)文)、旁路模式(接收總線上所有的報(bào)文)和正常工作模式(硬件濾波)。若配置為正常工作模式時(shí)，接著就需配置相應(yīng)的驗(yàn)收濾波器表(ID表)，即將該節(jié)點(diǎn)需要接收的數(shù)據(jù)包ID號(hào)的填充到該節(jié)點(diǎn)控制器相應(yīng)的ID表區(qū)域中，而這樣就完成了CAN總線節(jié)點(diǎn)的地址分配工作。一般而言，ID表分為如下4個(gè)區(qū)域：明確的標(biāo)準(zhǔn)幀標(biāo)識(shí)符區(qū)、標(biāo)準(zhǔn)幀組格式標(biāo)識(shí)符區(qū)、明確的擴(kuò)展幀格式標(biāo)識(shí)符區(qū)以及擴(kuò)展幀組格式標(biāo)識(shí)符區(qū)。其中，明確格式是單個(gè)獨(dú)立的ID標(biāo)識(shí)符，而組格式區(qū)時(shí)連續(xù)編號(hào)的ID標(biāo)識(shí)符。

4 CAN總線仲裁機(jī)制分析

總線仲裁，是指當(dāng)總線上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)在同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)總線協(xié)議的處理方法。CAN總線采用的是無破壞性的仲裁機(jī)制，即若總線上的多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，具有高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)仲裁勝出，可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，而其它仲裁失敗的節(jié)點(diǎn)將退出發(fā)送狀態(tài)而轉(zhuǎn)為接收節(jié)點(diǎn)，與其他總線仲裁機(jī)制(例如局域網(wǎng)的CSMA／CD)相比，其不僅不會(huì)破壞已發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且不會(huì)造成發(fā)送數(shù)據(jù)的延遲，是CAN總線與其他總線相比的優(yōu)點(diǎn)之一，其主要是通過CAN總線所具備的如下兩個(gè)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)：1)CAN總線的線與特性，即當(dāng)總線上多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送顯性和隱形電平時(shí)，總線電平表現(xiàn)為顯性電平。2)CAN控制器即使在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)也在監(jiān)控總線電平狀態(tài)，即當(dāng)在仲裁時(shí)，當(dāng)控制器發(fā)送隱性電平但檢測到總線為顯性電平時(shí)，節(jié)點(diǎn)仲裁失敗，轉(zhuǎn)為接收節(jié)點(diǎn)。

5 CAN總線魯棒性分析

CAN總線的魯棒性是通過其對(duì)節(jié)點(diǎn)和總線數(shù)據(jù)包安全性的實(shí)時(shí)檢測與監(jiān)控來實(shí)現(xiàn)的，另外，CAN總線通過采用的差分信號(hào)對(duì)外界干擾信號(hào)有較強(qiáng)的抑制作用。具體論述如下。

5．1 實(shí)時(shí)監(jiān)控總線波形

CAN控制器不僅在上電后會(huì)一直監(jiān)測總線上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的的數(shù)據(jù)包，并且在自己發(fā)送數(shù)據(jù)包得過程中也在實(shí)時(shí)監(jiān)測自己發(fā)送的數(shù)據(jù)，一旦檢測到位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、CRC錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤或者應(yīng)答錯(cuò)誤，該節(jié)點(diǎn)就會(huì)根據(jù)其所處的錯(cuò)誤狀態(tài)(錯(cuò)誤激活狀態(tài)或者錯(cuò)誤認(rèn)可狀態(tài))發(fā)送相應(yīng)的錯(cuò)誤標(biāo)志，實(shí)際上筆者認(rèn)為只有錯(cuò)誤激活站點(diǎn)發(fā)送激活錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)(即6個(gè)連續(xù)的顯性位后接8個(gè)隱性位的錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)界定符)會(huì)對(duì)總線及總線上的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生影響，而處于錯(cuò)誤認(rèn)可狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的錯(cuò)誤認(rèn)可標(biāo)識(shí)實(shí)際對(duì)總線沒有任何影響(發(fā)送的6個(gè)隱性電平與總線空閑狀態(tài)是一致的)。

5．2 實(shí)時(shí)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)狀態(tài)判定節(jié)點(diǎn)權(quán)限

節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)總線上數(shù)據(jù)包的情況實(shí)時(shí)改變自身的狀態(tài)(錯(cuò)誤激活、錯(cuò)誤認(rèn)可或者總線關(guān)閉狀態(tài))，處于錯(cuò)誤激活的節(jié)點(diǎn)正常參與總線通信，錯(cuò)誤認(rèn)可的單元參與總線通信，但是在其啟動(dòng)下一個(gè)發(fā)送之前需要發(fā)送8個(gè)額外的隱性位。對(duì)于總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)包，如表1所示，15位的CRC序列實(shí)現(xiàn)了對(duì)起始位、仲裁域、控制域以及數(shù)據(jù)域(如果有的話)的監(jiān)控，接收站點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)后會(huì)根據(jù)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)相同的算法生成該數(shù)據(jù)包的CRC序列，并與接收到的CRC序列做比較，如果不同則說明有錯(cuò)，接收節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)該數(shù)據(jù)包做出應(yīng)答，發(fā)送節(jié)點(diǎn)就會(huì)檢測到應(yīng)答錯(cuò)誤并重新發(fā)送該數(shù)據(jù)包?？傊?，CAN總線通過數(shù)據(jù)鏈路層以及物理層就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較高的總線的數(shù)據(jù)安全性和總線的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

文中以ISO11898協(xié)議規(guī)范為基礎(chǔ)，從通信的角度詳細(xì)分析了CAN總線的節(jié)點(diǎn)同步機(jī)制、節(jié)點(diǎn)地址機(jī)制、總線仲裁機(jī)制(即總線沖突解決機(jī)制)及總線魯棒性的實(shí)現(xiàn)原理和基礎(chǔ)，同時(shí)簡要介紹了CAN總線的應(yīng)用特性以及將其應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中時(shí)總線的系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)，對(duì)深入理解CAN總線協(xié)議和將CAN總線應(yīng)用到具體工程項(xiàng)目中，以及研究或開發(fā)特定要求的總線系統(tǒng)具有指導(dǎo)意義。