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介绍：CAN总线

CAN总线是广播类型的总线。这意味着所有节点都可以侦听到所有传输的报文。无法将报文单独发送给指定节点；所有节点都将始终捕获所有报文。但是，CAN硬件能够提供本地过滤功能，让每个节点对报文有选择性地做出响应。

总线使用不归零位填充。模块以线与逻辑连接到总线：如果只有一个节点向总线传输逻辑0，那么不管有多少个节点向总线传输逻辑1，整个总线都处于逻辑0状态。

CAN标准定义四种不同的报文类型。报文使用逐位仲裁智能方案来控制对总线的访问，每条报文都带有优先级标记。

CAN标准还为错误处理和消除定义了详细的方案，这在第9节“CAN错误处理”（第23页）中有更详细的说明。

在本教程第8页讨论位时序和时钟同步。位时序计算器见此页面，您可以用它来计算CAN总线参数和寄存器设置。

CAN可以使用不同的物理层来实现（第5页），这里阐述其中一些。而且，可以使用许多不同种类的连接器。我们还为对报文细节感兴趣的用户提供了许多示波器图片（第6页）。

CAN报文（第1页/共3页）

CAN总线是广播类型的总线。这意味着所有节点都可以侦听到所有传输的报文。无法将报文单独发送给指定节点；所有节点都将始终捕获所有报文。但是CAN硬件能够提供本地过滤功能，让每个节点对报文有选择性地做出响应。

CAN报文

CAN使用短报文 – 最大实用负载是94位。报文中没有任何明确的地址；相反，可以认为报文是通过内容寻址，也就是说，报文的内容隐式地确定其地址。

报文类型

CAN总线上有四种不同的报文类型（或“帧”）：

数据帧

远程帧

错误帧

过载帧

1. 数据帧

概要：“大家好，这是一些标签为X的数据，希望满足您的需要！”

数据帧是最常见的报文类型。由下列主要部分组成（出于简洁性目的，忽略了一些细节）：

仲裁字段。当两个或多个节点竞争总线时，确定报文的优先级。仲裁字段包含：

对于CAN 2.0A，一个11位的标识符和一个支配数据帧的RTR位。

对于CAN 2.0B，一个29位的标识符（其中还包含两个隐性位：SRR和IDE）和RTR位。

数据字段。包含0到8字节数据。

CRC字段。包含一个基于报文大部分数据计算得到的15位校验和。校验和用于错误检测。

应答时隙。任何能够正确接收报文的CAN控制器都会在每条报文的末尾发送一个应答位。传送节点检查应答位是否存在，如果没有检测到应答位，会重新发送报文。

注1：请注意，总线上存在应答位不表示任何目标地址已经收到报文。唯一表示的是，总线上的一个或多个节点已经正确收到报文。

注2：仲裁字段中的标识符不一定标识报文的内容，尽管其名字会让人如此认为。

CAN 2.0A（“标准CAN”）数据帧

CAN 2.0B（“扩展CAN”）数据帧

2. 远程帧

概要：“大家好，有没有人能够生成标签为X的数据？”

远程帧与数据帧十分相似，但是有两个重要的区别：

它被显式标记为远程帧（仲裁字段中的RTR位为隐性），并且

它没有数据字段。

远程帧的预期目的是征求传输相应的数据帧。例如，如果节点A传输一个仲裁字段设置为234的远程帧，那么节点B（如果已经正确初始化）可能通过一个仲裁字段也设置为234的数据帧进行响应。

远程帧可以用来实现总线通信管理的请求-响应类型。但是，远程帧在实践中很少使用。还有一点值得注意的是，CAN标准没有规定这里列出的特性。大部分CAN控制器都可以进行编程自动响应远程帧或通知本地CPU。

关于远程帧的一个注意事项：数据长度代码必须设置成预期响应报文的长度。否则仲裁将不起作用。

有时据称响应远程帧的节点会在识别标识符后立即开始传输，从而“填充”空的远程帧。但是事实并非如此。

远程帧（2.0A类型）：

3. 错误帧

概要：“大家好（大声），让我们重新试一下”

简单地说，错误帧是一种违背CAN报文帧规则的特殊报文。一个节点咋在检测到故障时传送错误帧，这将导致所有其它节点也检测到故障，它们也将发送错误帧。然后传送节点将自动尝试重传报文。有一种精准的错误计数器方案，可以确保节点无法通过重复传输错误帧来破坏总线通信。

错误帧包含一个错误标志。这个错误标志是6位长的相同值（因此违背位填充规则）和一个错误定界符（8个隐性位）。错误定界符提供一些空间，以便总线上其它节点在检测到第一个错误标志时可以发送它们的错误标志。

错误帧图示如下：

4. 过载帧

概要：“我是非常繁忙的小型82526，您可以稍等片刻吗？”

这里，我们仅仅出于知识完整性目的而提及过载帧。在格式方面，过载帧与错误帧非常相似，并且由会变得重荷的节点传送。过载帧并不常用，因为当今的CAN控制器会非常智能化地避免使用过载帧。事实上，会生成过载帧的唯一一种控制器是现在已经过时的82526。

标准CAN和扩展CAN

最初，CAN标准把仲裁字段中标识符的长度定义为11位。后来，客户的需求推动了该标准得延伸。新格式通常称为扩展CAN，标识符不允许少于29位。为了区分这两种帧类型，在控制字段中使用了一个保留位。

标准的正式名称是

2.0A，仅支持11位标识符

2.0B，支持完整的29位标识符（也可以混合使用11位标识符）的扩展版本。2.0B节点可以是

“2.0B主动型”，也就是说，它可以发送和接收扩展帧，或者

“2.0B被动型”，也就是说，它将静默丢弃接收到的扩展帧（但是请参考下述内容）

1.x表示初始规范及其修订版。

如今的新型CAN控制器通常是2.0B类型。1.x或2.0A类型的控制器如果接收到29个仲裁位的报文会很麻烦。2.0B被动型控制器容许这些报文，如果它们正确的话会进行应答，然后抛弃这些报文。2.0B主动型控制器既可传送也可接收这些报文。

实现2.0B和2.0A（和1.x）的控制器相互兼容，并且可以在同一总线上使用它们，则只要实现2.0B的控制器不发送扩展帧即可！

有时候人们说标准CAN“优于”扩展CAN，因为扩展CAN报文会产生更多的间接费用。这种说法未必正确。如果您使用仲裁字段来传送数据，那么扩展CAN实际上的发生的间接费用可能比标准CAN少。

基本CAN和完整CAN

术语“基本CAN”和“完整CAN”源自CAN的初创年代。历史上曾经有Intel 82526 CAN控制器，它为程序员提供DPRAM型接口。然后出现了Philips 82C200 CAN控制器，它使用面向FIFO（队列）的编程模型和有限制的过滤功能。为了区分这两种编程模型，人们出于某些原因把Intel的模型称为“完整CAN”，把Philips的模型称为“基本CAN”。如今，大多数CAN控制器同时支持这两种编程模型，所以没有理由继续使用术语“基本CAN”和“完整CAN”。事实上，这些术语可能会令人迷惑，应当尽量避免。

当然，“完整CAN”控制器可以和“基本CAN”进行通信，反之也可。不存在任何兼容性问题。

总线仲裁和报文优先级

报文仲裁（两个或多个CAN控制器协商确定谁使用总线的过程）对于数据传送中真正可用的带宽非常重要。

任何CAN控制器都可能在检测到空闲总线时开始传送数据。这可能会导致两个或多个控制器（几乎）同时开始传送报文。通过下述方法解决这种冲突。传送节点在发送报文时监视总线。如果节点在自身发送隐性位时检测到显性位，它将立即退出仲裁过程并转变成接收方。仲裁针对整个仲裁字段进行，当该字段已经被发送时，总线上恰好只剩一个传送节点。这个节点就像什么都没发生那样继续传送。其它潜在的传送节点将在总线下次空闲时尝试重传它们的报文。仲裁过程不会消耗时间。

这种逐位仲裁成功的重要条件是两个节点不会传送相同的仲裁字段。这个规则有一个例外：如果报文不包含任何数据，那么任何节点都可传送该报文。

因为总线采用线与逻辑，并且显性位是逻辑0，所以包含数值最低仲裁字段的报文将赢得仲裁。

问：如果一个节点是总线上的唯一节点并且试图进行传送，会发生什么情况？

答：当然，节点将赢得仲裁并顺利地进行报文传送。但是，当进行应答的时候，没有任何节点将在应答时隙（ACK时隙）发送显性位，所以传送节点将检测到ACK错误，发送错误标志，将传送错误计数器加8并开始重传。这将发生16次。然后传送节点将进入错误被动状态。通过错误限制算法的特殊规则，如果节点为被动错误并且错误是ACK错误，则传送错误计数器不再增加。所以节点将一直继续传送，至少要到有人应答报文。

报文寻址和标识

再次提醒，CAN报文中无显式地址。每个CAN控制器都会检查总线上的所有通信，并使用硬件过滤器和软件的组合来确定是否对该报文“感兴趣”。

事实上，CAN中没有报文地址的概念。报文的内容由存在于报文中某处的标识符进行标识。CAN报文被称为“内容寻址”的报文。

常规的报文地址类似于“这是发给节点X的报文”。而内容寻址的报文类似于“这是包含标签为X的数据的报文”。这两个概念之间的区别很小但是非常重要。

根据标准，仲裁字段的内容用来确定总线上报文的优先级。所有CAN控制器还将在硬件过滤过程中使用整个（一些控制器将只使用一部分）仲裁字段作为主键。

标准没有规定仲裁字段必须用作报文标识符。但是不管怎样，这是一种常见情况。

标识符值注意事项

我们说过，标识符可以是11位（CAN 2.0A）或29位（CAN 2.0B）。这不完全正确。出于与某种老式CAN控制器（猜猜是哪种）兼容的原因，标识符不得把7个最高有效位都设置为1。所以，对于11位标识符，只剩下0到2031，29位标识符可以使用532676608个不同的值。

注意，所有其它CAN控制器都接受“非法”标识符，所以现代CAN系统标识符2032到2047可以自由使用。

CAN物理层

CAN总线

CAN总线使用不归零（NRZ）的位填充。有两种不同的信令状态：显性（逻辑0）和隐性（逻辑1）。这些信令状态对应于所在物理层（存在几种不同的物理层）的某种电平。模块以线与逻辑连接到总线：哪怕只有一个节点发送逻辑0使得总线处于显性状态，那么不管有多少隐形状态的节点传送，则整个总线都处于显性状态。

不同的物理层

物理层定义总线上的电平和信令方案、缆线阻抗和类似的方面。

有几种不同的物理层：

最常见的类型由CAN标准ISO11898-2部分定义的，它是双线平衡信令方案。有时也称为“高速CAN”。

同一个ISO标准的另一部分（ISO 11898-3）为低总线速度定义了另一种双线平衡信令方案。它具有容错能力，所以即使一条总线线缆断开或对地短路或连接到备用电池，信号都可以继续发出。有时也称为“低速CAN”。

SAE J2411定义单线缆（当然加上接地）物理层。主要用在汽车中 – 例如GM-LAN。

还有几种专有的物理层。

在没有CAN驱动程序的早期，RS485修订版。

有关报文的详细信息，请转到第6页查看多个示波器图片。

规则规定不同的物理层不能交互操作。某些组合可能在良好的条件下工作，或看上去可以工作。例如，在同一条总线上同时使用“高速”和“低速”收发器，有时可以工作。

大量CAN收发器芯片产自Philips；其它厂商包括Bosch、Infineon、Siliconix和Unitrode。

一种常见的收发器类型是82C250，它实现ISO 11898定义的物理层。82C251是一种改进的版本。

“低速CAN”的一种常见收发器是产自Philips的TJA1054。

最大总线速度

按照标准，CAN总线的最大速度是1 Mbps。然而，一些CAN控制器能够处理比1Mbps更快的速度，可以在特殊应用场合中使用。

低速CAN（ISO 11898-3，参见上文）最快可以达到125 kbps。

单线CAN在标准模式下可高达约50kbps，并且如果使用特殊的高速模式，诸如用于ECU编程，可以高达约100kbps。

最小总线速度

注意，一些总线收发器不允许低于特定的比特率。例如，使用82C250或82C251时，低于10kbps不会有问题。但是，如果使用TJA1050，则不能低于大约50kbps。请查阅数据表。

最大线缆长度

如果速度为1Mbps，可以使用的最大线缆长度大约为40米（130英尺）。这是因为仲裁方案要求信号的峰值可以到达最远的节点并且在位采样之前再次返回。换言之，线缆长度受光速限制。曾有人提出提高光速，但是因为这会产生时空交错而被驳回。

其它的最大线缆长度是（这些是近似值） –

100米（330英尺），比特率为500kbps

200米（650英尺），比特率为250kbps

500米（1600英尺），比特率为125kbps

6千米（20000英尺），比特率为10kbps

如果使用光耦合器来提供电隔离，那么最大总线长度会相应地减小。提示：使用快速光耦合器并通过设备查看延迟，而不是采用指定的最大比特率。

总线端接

ISO 11898 CAN总线必须进行端接。 通过在总线各端点使用120欧姆的电阻达到这个要求。端接可以达到两个目的：

消除总线终端处的信号反射。

确保总线获得正确的直流电电平。

不管速度快慢，ISO 11898 CAN总线始终都必须进行端接。我将重复这一点：不管速度快慢，ISO 11898 CAN总线始终都必须进行端接。对于实验性工作，一个端接器可能就已足够。如果没有连接任何端接器，但是您的CAN总线仍然能够正常工作，那么您只是比较幸运而已。

注意，其它物理层（例如“低速CAN”、单线缆CAN和其它物理层）不一定需要进行端接。但是您的常用高速ISO 11898 CAN总线总是需要至少一个端接器。

请参考这篇文章获取关于CAN总线端接的更多信息。

线缆

ISO11898规定线缆阻抗标称值为120欧姆，但允许[108-132]欧姆区间的阻抗。

现今市场上满足这种要求的线缆并不多。允许的阻抗区间将来很有可能会扩大。

ISO 11898针对屏蔽或非屏蔽的双绞线而定义。单线缆标准SAE J2411的相关工作正在进行之中。

CAN连接器

对于CAN总线连接器，根本没有任何标准！通常，每种高层协议都会定义一种或一些首选的连接器类型。常见的类型包括

9针DSUB（由iCiA建议）。

DeviceNet和SDS使用的5针Mini-C和/或Micro-C连接器。

由CANHUG提出的用于移动液压装置的6针Deutch连接器。

参见第7页中一些不同的连接器布局。