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福利干貨，第一時(shí)間送達(dá)

CAN（“Controller Area Network”，控制器局域網(wǎng)）

作用：將整車中各種不同的控制器連接起來，實(shí)現(xiàn)信息的可靠共享，并減少整車線束數(shù)量?？梢栽O(shè)想一種極端情況，如下圖所示：

如：果整車上所有的用電設(shè)備都是一個(gè)獨(dú)立的CAN總線節(jié)點(diǎn)，并且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都向外發(fā)送自己當(dāng)前的狀態(tài)，并接受來自外部的信息， 那么整車的控制只需要一條CAN總線控制線和電源線就可以了！

CAN總線的基本工作原理

CAN總線的通信通過一種類似于“會(huì)議” 的機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，只不過會(huì)議的過程并不是由一方（節(jié)點(diǎn)）主導(dǎo)，而 是，每一個(gè)會(huì)議參加人員都可以自由的提出會(huì)議議題（多主通信模式），二者對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

CAN總線工作流程

CAN總線的優(yōu)勢(shì)

• 數(shù)據(jù)傳輸速度高1Mbit/s，距離遠(yuǎn)

  
  

• 抗干擾能力強(qiáng)（差分?jǐn)?shù)據(jù)線）

  
  

• 具有自我診斷能力（錯(cuò)誤偵測(cè)）

  
  

CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

01 CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

02 為何CAN收發(fā)器

照BOSCH CAN總線標(biāo)準(zhǔn)將0或1邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的電平，同時(shí)有反饋功能

CAN總線上的電平

CAN2.0A/B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：總線空閑時(shí)，CAN_H和CAN_L上的電壓為2.5V

在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，顯性電平（邏輯 0）：CAN_H 3.5V CAN_L 1.5V

隱性電平（邏輯 1）：CAN_H 2.5V CAN_L 2.5V

03總線長(zhǎng)度的思考

影響總線長(zhǎng)度的主要因素：

（1）CAN總線通信的應(yīng)答機(jī)制，即成功接收到一幀報(bào)文的節(jié)點(diǎn)必須在 應(yīng)答場(chǎng)的”應(yīng)答間隙“期間發(fā)送一位“顯性位”表示成功接收到一幀數(shù)據(jù)

如：通信速率為250Kbit/s，傳送一個(gè)bit所需時(shí)間為：1/250×1000 = 4μ 那么，該信號(hào)在總線上的延時(shí)時(shí)間必須小于（2μ？）才能保證發(fā)送節(jié)點(diǎn)成功的在應(yīng)答間隙期間接收到該“顯性電平”。

任何一根導(dǎo)線都可以簡(jiǎn)化為左圖所示的電路模型，可以看到，其中既有電感又有電容，因此，電流在其中傳輸并不是光速，而是需要一定的時(shí)間。

對(duì)于雙絞線而言，信號(hào)在其中的傳播延時(shí)時(shí)間約為，5ns/m（典型值）。當(dāng)通信速率達(dá)到1Mbit/s時(shí)，40m的總線長(zhǎng)度， 延時(shí)時(shí)間就達(dá)到200ns，而允許延時(shí)時(shí)間為600ns左右，還是不能不考慮的！

由上面的分析可知：

總線通信速率越高，通信距離越短，對(duì)物理傳輸線的要求就越高，在雙絞線、屏蔽線還是其他的傳輸線選擇上，通信速率是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。

影響總線長(zhǎng)度的其他因素：

• 信號(hào)在節(jié)點(diǎn)ECU內(nèi)部的延時(shí)時(shí)間

  
  

• 振蕩器的容差（各個(gè)節(jié)點(diǎn)ECU內(nèi)部晶振頻率的差別） 這些因素加起來就形成了CAN總線通信中總的信號(hào)延時(shí)。

  
  

CAN總線的硬件抗干擾

共模電感作用：共模電壓有較大的感 抗，差模電壓感抗為零，相當(dāng)于電感濾波。對(duì)共模電流有較大的阻礙作用。

終 端 電阻 120 歐姆并非固定不變，這跟使用的導(dǎo)線有關(guān)！

總線長(zhǎng)度的限制——位定時(shí)、同步

CAN總線控制器按照時(shí)間片的概念將每一個(gè)bit的時(shí)間劃分成了n個(gè)時(shí)間片。這樣做的目的就是為了實(shí)現(xiàn)CAN總線的同步、保證不同節(jié)點(diǎn)間時(shí)間的一致性。

如：晶振和CAN CLOCK，頻率均為4MHz，那么每一個(gè)時(shí)間片最小時(shí)間就為0.25μs，通信波特率為250Kbit/s，那么每一個(gè)bit的時(shí)間就為4μs， 因此，每一個(gè)bit的總的時(shí)間片數(shù)目就為16。當(dāng)然可以進(jìn)一步提高晶振頻率，使得每一個(gè)bit被劃分的更加細(xì)致。

CAN2.0A/B將每一個(gè)bit的時(shí)間劃分成了4段，同步段、傳輸段、相位段1和相位段2，每一段占用一定的時(shí)間片

Can總線報(bào)文幀結(jié)構(gòu)

CAN總線共有四種報(bào)文：

1 數(shù)據(jù)幀

2 遠(yuǎn)程幀

3 錯(cuò)誤幀

4 過載幀

數(shù)據(jù)幀定義

幀起始：1bit。從圖中看出，在幀間隙后由邏輯1（至少兩個(gè)bit）向邏輯 0 的跳變就被認(rèn)為是幀起始，它的作用就是為了硬同步。

仲裁場(chǎng)：由29bit的ID標(biāo)示符和IDE、SRR、RTR位構(gòu)成。IDE位用于標(biāo)示該幀是擴(kuò)展幀（29bit ID）還是標(biāo)準(zhǔn)幀（11bit ID）；SRR在擴(kuò)展幀 中 為 一 隱 性 位 ；R T R 位 為 遠(yuǎn) 程 幀 標(biāo) 志 位 。

由上圖可以看出，11bit的基本ID首先被發(fā)送（ID28~ID18），然后在發(fā)送18bit的擴(kuò)展ID（ID17~ID0）

CAN總線的仲裁機(jī)制

要點(diǎn)

（1）首先發(fā)送ID的29位，優(yōu)先級(jí)問題

（2）總線電平由誰決定

CAN總線總裁機(jī)制的實(shí)現(xiàn)也就實(shí)現(xiàn)了CAN總線的多主機(jī)模式，總線節(jié)點(diǎn)不存在誰主誰從的概念

注意：我們可以人為的給29位的ID賦予一定的意義從而區(qū)分不同的報(bào)文類型！

報(bào)文濾波

報(bào)文濾波可以通過軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)，也可以通過硬件（芯片內(nèi)部的報(bào)文濾波寄存器）實(shí)現(xiàn)，但二者實(shí)現(xiàn)的原理是相同的，如下圖所示：

數(shù)據(jù)幀中的其他場(chǎng)作用

控制場(chǎng)：包括兩位保留位（必須為0），和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度位（DLC0~DLC3） 數(shù)據(jù)場(chǎng)：包括最多8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)

CRC場(chǎng)：是一種算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，共15bit，其后跟了一位CRC界定符——為1（隱性電平）

應(yīng)答場(chǎng)：為兩個(gè)1（總線電平為低電平），其中一位為應(yīng)答間隙，另一位為應(yīng)答界定符。成功接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)必須發(fā)送一位顯性位（總線電平為高電平）

來應(yīng)答該發(fā)送節(jié)點(diǎn)，必須注意：該顯性位必須在應(yīng)答間隙期間， 即1bit的時(shí)間內(nèi)將總線電平拉高。幀結(jié)尾：7個(gè)連續(xù)的1組成（隱性電平）

CAN總線的偵聽機(jī)制—支持仲裁及錯(cuò)誤檢查

幀聽就是發(fā)出去的數(shù)據(jù)再采樣回來，比較采樣回來的數(shù)據(jù)是否和發(fā)出的數(shù)據(jù)一致！

CAN總線錯(cuò)誤檢測(cè)

CAN總線通過如下幾個(gè)方面進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)

當(dāng)節(jié)點(diǎn)贏得總線發(fā)送權(quán)后，會(huì)對(duì)總線電平進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)送的電平和檢測(cè)到的總線電平不一致時(shí)，認(rèn)為錯(cuò)誤；

出現(xiàn)6個(gè)連續(xù)相同的電平時(shí)，認(rèn)為是填充錯(cuò)誤；

CRC錯(cuò)誤，接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)按照與發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)相同的方法計(jì)算數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)值，如果接收節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果與數(shù)據(jù)包中CRC場(chǎng)的數(shù)據(jù)不一致， 認(rèn)為是CRC錯(cuò)誤；

應(yīng)答錯(cuò)誤，在應(yīng)答場(chǎng)如果沒有監(jiān)控到一個(gè)顯性電平，那么就認(rèn)定一個(gè)應(yīng)答錯(cuò)誤；

固定位錯(cuò)誤，例如：CRC界定符等，其電平是固定的，當(dāng)監(jiān)控到該電平不相符時(shí)，認(rèn)定一個(gè)錯(cuò)誤；

另：總線同步機(jī)制也是CAN總線容錯(cuò)的一種方式；

注意：通過上面5種錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)均可以檢測(cè)到總線上的錯(cuò)誤，并通過錯(cuò)誤的累加來實(shí)現(xiàn)總線節(jié)點(diǎn)的關(guān)閉等操作

CAN總線負(fù)載率計(jì)算

計(jì)算例子：

假設(shè)CAN總線波特率為250Kbit/s，總線報(bào)文發(fā)送時(shí)間間隔為10ms， 報(bào)文為數(shù)據(jù)幀（8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)），那么10ms內(nèi)總線能夠支持的最大報(bào)文數(shù)量為多少？

第一步：根據(jù)通信波特率計(jì)算10ms總共可以發(fā)送多少bit (250000/1000)*10 = 2500bit

第二步：計(jì)算最長(zhǎng)的一幀報(bào)文有多少個(gè)bit

1sof 29id 1ide 1rtr 1srr 2r 4dlc 8*8data

16crc 2ack 7eof = 128bit

第三步：計(jì)算10ms內(nèi)可以支持的報(bào)文數(shù)目

2500/128 ≈ 19

由上面的計(jì)算可知，當(dāng)10ms間隔的報(bào)文數(shù)量超過19條時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)丟幀，總線飽和。

計(jì)算報(bào)文數(shù)量也是設(shè)計(jì)CAN網(wǎng)絡(luò)所要考慮的，可以查閱相關(guān)文獻(xiàn)看負(fù)載率在多少時(shí)合適

來源：頭條 億佰特物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室

—— The End ——