原创 CAN总线通信原理分析

下面将以恩智浦公司的LPC2478芯片集成的CAN控制器为例，具体说明CAN总线系统的地址配置方法。如图3所示，首先根据总线上所需传输的数据包进行分类，即对数据包ID和相应的节点进行规划，例如在我们的系统中主要有如下几类数据包：查询数据包、控制命令数据包(包括动作和参数数据包)、报警数据包及反馈参数数据包，对应的节点特性是查询数据包和控制命令数据包主要是主站发送给各从站单元，而报警数据包和反馈参数数据包主要由从站各节点单元发送给主站单元节点。然后，根据ID分类情况配置各节点的验收滤波器单元，具体的配置方法是：首先根据节点特点配置相应的验收滤波器工作模式：关闭模式(不接收总线报文)、旁路模式(接收总线上所有的报文)和正常工作模式(硬件滤波)。若配置为正常工作模式时，接着就需配置相应的验收滤波器表(ID表)，即将该节点需要接收的数据包ID号的填充到该节点控制器相应的ID表区域中，而这样就完成了CAN总线节点的地址分配工作。一般而言，ID表分为如下4个区域：明确的标准帧标识符区、标准帧组格式标识符区、明确的扩展帧格式标识符区以及扩展帧组格式标识符区。其中，明确格式是单个独立的ID标识符，而组格式区时连续编号的ID标识符。

4 CAN总线仲裁机制分析
    总线仲裁，是指当总线上有多个节点在同时发送数据时总线协议的处理方法。CAN总线采用的是无破坏性的仲裁机制，即若总线上的多个节点同时发送数据，具有高优先级数据包的节点仲裁胜出，可以继续发送数据，而其它仲裁失败的节点将退出发送状态而转为接收节点，与其他总线仲裁机制(例如局域网的CSMA／CD)相比，其不仅不会破坏已发送的数据，并且不会造成发送数据的延迟，是CAN总线与其他总线相比的优点之一，其主要是通过CAN总线所具备的如下两个特点实现：1)CAN总线的线与特性，即当总线上多个节点同时发送显性和隐形电平时，总线电平表现为显性电平。2)CAN控制器即使在发送数据的同时也在监控总线电平状态，即当在仲裁时，当控制器发送隐性电平但检测到总线为显性电平时，节点仲裁失败，转为接收节点。

5 CAN总线鲁棒性分析
    CAN总线的鲁棒性是通过其对节点和总线数据包安全性的实时检测与监控来实现的，另外，CAN总线通过采用的差分信号对外界干扰信号有较强的抑制作用。具体论述如下。
5．1 实时监控总线波形
    CAN控制器不仅在上电后会一直监测总线上其它节点发送的的数据包，并且在自己发送数据包得过程中也在实时监测自己发送的数据，一旦检测到位错误、填充错误、CRC错误、格式错误或者应答错误，该节点就会根据其所处的错误状态(错误激活状态或者错误认可状态)发送相应的错误标志，实际上笔者认为只有错误激活站点发送激活错误标识(即6个连续的显性位后接8个隐性位的错误标识界定符)会对总线及总线上的节点产生影响，而处于错误认可状态的节点发送的错误认可标识实际对总线没有任何影响(发送的6个隐性电平与总线空闲状态是一致的)。
5．2 实时监控节点状态判定节点权限
    节点会根据总线上数据包的情况实时改变自身的状态(错误激活、错误认可或者总线关闭状态)，处于错误激活的节点正常参与总线通信，错误认可的单元参与总线通信，但是在其启动下一个发送之前需要发送8个额外的隐性位。对于总线上发送的数据包，如表1所示，15位的CRC序列实现了对起始位、仲裁域、控制域以及数据域(如果有的话)的监控，接收站点在接收到数据后会根据与发送节点相同的算法生成该数据包的CRC序列，并与接收到的CRC序列做比较，如果不同则说明有错，接收节点不会对该数据包做出应答，发送节点就会检测到应答错误并重新发送该数据包。总之，CAN总线通过数据链路层以及物理层就已经实现了较高的总线的数据安全性和总线的稳定性。

6 结论
    文中以ISO11898协议规范为基础，从通信的角度详细分析了CAN总线的节点同步机制、节点地址机制、总线仲裁机制(即总线冲突解决机制)及总线鲁棒性的实现原理和基础，同时简要介绍了CAN总线的应用特性以及将其应用于实际系统中时总线的系统分层结构，对深入理解CAN总线协议和将CAN总线应用到具体工程项目中，以及研究或开发特定要求的总线系统具有指导意义。