CAN 总线

CAN是 Controller Area Network 的简称, 最初由BOSCH公司开发, 后来成为国际标准(ISO 11898), 是当前应用最广泛的现场总线之一, 是汽车控制系统和嵌入式工业控制局域网事实上的标准.

CAN 总线的物理连接

相对于近距离传输的I2C, SPI协议, 以及RS485总线, CAN 总线定义了更先进的物理层和链路层, 以及种类丰富的上层协议. 与I2C, SPI等基于时钟信号同步的通讯方式不同, CAN通讯不使用时钟信号进行同步, 它是一种异步通讯, 只有 CAN_High 和 CAN_Low 两条信号线, 共同构成一组差分信号线, 以差分信号的形式进行通讯.

CAN 物理层主要分为闭环总线及开环总线网络两种形式, 一个适合于高速通讯, 一个适合于远距离通讯.

CAN闭环通讯网络是一种遵循 ISO11898 标准的高速, 短距离网络, 总线最大长度为40m, 通信速度最高为1Mbps, 总线的两端各要求有一个120欧的电阻做阻抗匹配, 减少回波反射.
CAN开环总线网络是遵循 ISO11519-2 标准的低速, 远距离网络, 最大传输距离为1km, 最高通讯速率为125kbps, 两根总线互相独立, 不形成闭环, 要求每根总线上各串联有一个 2.2KR 的电阻.

关于共地

CAN 在多个收发器之间的连接, 可以不共地, 只需要 CANH 和 CANL 两线连接.

CAN 总线的通信机制

CAN总线上可以挂载多个通讯节点, 节点之间的信号经过总线传输, 实现节点间通讯. CAN通讯协议不对节点进行地址编码, 而是对数据内容进行编码, 所以网络中的节点个数理论上不受限制, 只要总线的负载足够即可, 可以通过中继器增强负载.

CAN通讯节点由一个CAN控制器及CAN收发器组成, 控制器与收发器之间通过 CAN_Tx及 CAN_Rx 信号线相连, 收发器与CAN总线之间使用 CAN_High 及 CAN_Low 信号线相连. 其中 CAN_Tx 及 CAN_Rx 使用普通的类似TTL逻辑信号, 而 CAN_High 及 CAN_Low 是一对差分信号线, 当CAN节点需要发送数据时, 控制器把要发送的二进制编码通过 CAN_Tx 线发送到收发器, 然后由收发器把这个普通的逻辑电平信号转化成差分信号, 通过差分线 CAN_High 和 CAN_Low 输出到CAN总线网络. 收发器接收总线上的数据时则是相反的过程, 收发器把总线上收到的 CAN_High 及 CAN_Low 信号转化成普通的逻辑电平信号, 再通过 CAN_Rx 输出到控制器中.

差分信号

差分信号又称差模信号, 与传统使用单根信号线电压表示逻辑的方式有区别, 使用差分信号传输时, 需要两根信号线, 这两个信号线的振幅相等, 相位相反, 通过两根信号线的电压差值来表示逻辑0和逻辑1. 相对于单信号线传输的方式, 使用差分信号传输具有如下优点

抗干扰能力强, 当外界存在噪声干扰时, 几乎会同时耦合到两条信号线上, 而差分信号只关心两个信号的差值, 所以外界的共模噪声可以被抑制
能有效抑制它对外部的电磁干扰, 由于两根信号的极性相反, 对外辐射的电磁场可以相互抵消, 耦合的越紧密, 泄放到外界的电磁能量越少
时序定位精确, 由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点, 而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断, 因而受工艺, 温度的影响小, 能降低时序上的误差, 同时也更适合于低幅度信号的电路

由于差分信号的这些优点, 在USB协议, 485协议, 以太网协议及CAN协议的物理层中, 都使用了差分信号传输.

CAN协议中的差分信号

CAN协议中对它使用的 CAN_High 及 CAN_Low 表示的差分信号做了规定. 以高速CAN协议为例, 当表示逻辑1时(隐性电平), CAN_High 和 CAN_Low 线上的电压均为2.5V, 即它们的电压差为 0, 而表示逻辑0时(显性电平), CAN_High的电平为 3.5V, CAN_Low线的电平为1.5V, 电压差为 2V.

CAN 总线的特点

CAN 总线网络是一种多主网络, 在总线处于空闲状态时, 任何一个节点单元都可以申请成为主机, 向总线发送消息. 其原则是: 最先访问总线的节点单元可以获得总线的控制权, 多个节点单元同时尝试获取总线的控制权时, 将发生仲裁事件, 具有高优先级的节点单元将获得总线控制权.

CAN 协议中, 所有的消息都以固定的数据格式打包发送. 两个以上的节点单元同时发送信息时, 根据节点标识符(常称为 ID, 打包在固定的数据格式中)决定各自优先级关系, CAN 总线没有其他总线的地址概念, 在总线上增加节点单元时, 连接在总线的其他节点单元的软硬件都不需要改变.

CAN 总线的通信速率和总线长度有关, 在总线长度小于 40m 的场合中, 数据传输速率可以达到 1Mbps, 而即便总线长度上升至 1000m, 数据的传输速率仍可达到 50Kbps, 无论在速率还是传输距离都明显优于常见的 RS232, RS485 和 I2C 总线.

对于总线错误, CAN 总线有错误检测功能, 错误通知功能, 错误恢复功能三种应对措施, CAN 总线上的每个节点都可以通过判断得出, 当前总线上的错误是暂时错误(如瞬间的强干扰)还是持续错误(如总线断裂). 当总线上发生持续错误时, 引起故障的节点单元会自动脱离总线.

CAN 总线上的节点数量在理论上没有上限, 但在实际上收到总线上的时间延时及电气负载的限制. 降低最大通信速率可以增加节点单元的连接数, 反之减少节点单元的连接数则最大通信速率可以提高.

CAN 总线通信

CAN 数据位传输时间

为了实现位同步, CAN协议把每一个数据位(bit)的时序分解成SS段, PTS段, PBS1段, PBS2段, 这四段的长度加起来即为一个CAN数据位的长度.

CAN传输的最小的时间单位是Tq(即CAN外设的时钟周期), 一个完整的位由8~25个Tq组成.

CAN 的数据帧

CAN 总线的数据通信是以数据帧的格式进行的, 了解CAN的数据帧, 可以帮助了解CAN的过滤机制. 下面是一个完整的CAN数据帧的结构

CAN Data Frame

SOF 应该是 start of frame, 一个bit位拉低总线用于开始传输

Identifier 就是数据的 ID, 11个bit

RTR (Remote Transmission Request) 用于声明这是一个数据帧还是一个远程帧

IDE 用于声明使用的标准ID还是扩展ID

r 是一个保留 bit

DLC 用于声明后面携带的数据字节数量

首页上一页 1 2 3 4 下一页尾页 1/4/4
【大中小】【打印】【繁体】【投稿】【收藏】【推荐】【举报】【评论】【关闭】【返回顶部】

上一篇：微机原理与系统设计笔记5 \| 总线..	下一篇：痞子衡嵌入式：浅谈i.MXRT10xx系..

目录