详解CAN总线,了解can原理、通信传输协议
0 2024-02-01

1 简介

CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称,是一种能够实现分布式实时控制的串行通信网络。

优点: 传输速度最高到1Mbps,通信距离最远到10km,无损位仲裁机制,多主结构。近些年来,CAN控制器价格越来越低。Ø 低成本:ECUs通过单个CAN接口进行通信,布线成本低。Ø 高集成:CAN总线系统允许在所有ECUs上进行集中错误诊断和配置。Ø 可靠性:该系统对子系统的故障和电磁干扰具有很强的鲁棒性,是汽车控制系统的理想选择。Ø 高效率:可以通过id对消息进行优先级排序,以便最高优先级的id不被中断。Ø 灵活性:每个ECU包含一个用于CAN总线收发芯片,随意添加CAN总线节点。

2 CAN总线网络

 

CAN总线网络主要挂在CAN_H和CAN_L,各个节点通过这两条线实现信号的串行差分传输,为了避免信号的反射和干扰,还需要在CAN_H和CAN_L之间接上120欧姆的终端电阻。为什么是120Ω,因为电缆的特性阻抗为120Ω,为了模拟无限远的传输线。


3 CAN收发器 

CAN收发器的作用是负责逻辑电平和信号电平之间的转换。

 

即从CAN控制芯片输出逻辑电平到CAN收发器,然后经过CAN收发器内部转换将逻辑电平转换为差分信号输出到CAN总线上,CAN总线上的节点都可以决定自己是否需要总线上的数据。 具体的引脚定义如下:

4 CAN信号表示

CAN总线采用不归零码位填充技术,也就是说CAN总线上的信号有两种不同的信号状态,分别是显性的(Dominant)逻辑0和隐形的(recessive)逻辑1,信号每一次传输完后不需要返回到逻辑0(显性)的电平。

 

显性与隐性电平的解释:

CAN的数据总线有两条,一条是黄色的CAN_High,一条是绿色的CAN_Low。当没有数据发送时,两条线的电平一样都为2.5V,称为静电平,也就是隐性电平。当有信号发送时,CAN_High的电平升高1V,即3.5V,CAN_Low的电平降低1V,即1.5V。 按照定义的:
  • CAN_H-CAN_L < 0.5V 时候为隐性的,逻辑信号表现为"逻辑1"- 高电平。
  • CAN_H-CAN_L > 0.9V 时候为显性的,逻辑信号表现为"逻辑0"- 低电平。

5 CAN信号传输 

发送过程:CAN控制器将CPU传来的信号转换为逻辑电平(即逻辑0-显性电平或者逻辑1-隐性电平)。CAN发射器接收逻辑电平之后,再将其转换为差分电平输出到CAN总线上。 

接收过程:CAN接收器将CAN_H 和 CAN_L 线上传来的差分电平转换为逻辑电平输出到CAN控制器,CAN控制器再把该逻辑电平转化为相应的信号发送到CPU上。

6 CAN数据传输 

CAN总线传输的是CAN帧,CAN的通信帧分成五种,分别为数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。 数据帧根据仲裁段长度不同分为标准帧(2.0A)和扩展帧(2.0B)。

帧起始 由一个显性位(低电平)组成,发送节点发送帧起始,其他节点同步于帧起始;

帧结束 由7个隐形位(高电平)组成。

仲裁段 只要总线空闲,总线上任何节点都可以发送报文,如果有两个或两个以上的节点开始传送报文,那么就会存在总线访问冲突的可能。但是CAN使用了标识符的逐位仲裁方法可以解决这个问题。

CAN总线控制器在发送数据的同时监控总线电平,如果电平不同,则停止发送并做其他处理。如果该位位于仲裁段,则退出总线竞争;如果位于其他段,则产生错误事件。 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: 

帧ID越小,优先级越高。由于数据帧的RTR位为显性电平,远程帧为隐性电平,所以帧格式和帧ID相同的情况下,数据帧优先于远程帧;由于标准帧的IDE位为显性电平,扩展帧的IDE位为隐形电平,对于前11位ID相同的标准帧和扩展帧,标准帧优先级比扩展帧高。

数据段 一个数据帧传输的数据量为0~8个字节,这种短帧结构使得CAN-bus实时性很高,非常适合汽车和工控应用场合如下图所示。

 

数据量小,发送和接收时间短,实时性高,被干扰的概率小,抗干扰能力强。


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