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1、第六章 CAN技术规范及其在汽车中的应用,第一节 CAN技术规范 第二节 CAN在汽车中的应用 第三节 CAN节点主要芯片的选择,第一节 CAN技术规范,一、简介 这本技术规范的目的是为了在任何两个CAN仪器之间建立兼容性。可是，兼容性有不同的方面，比如电气特性和数据转换的解释。为了达到设计透明度以及实现柔韧性，CAN被细分为以下不同的层次： （1）数据链路层。包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC。 （2）物理层。在CAN2.0规范中，数据链路层的LLC子层和MAC子层的服务及功能分别被解释为“对象层”和“传输层”（包括所有由ISO/OSI模型定义的数据链路层的服务和功能）。,下
2、一页,返回,第一节 CAN技术规范,CAN2.0规范主要是定义传输层，并定义CAN协议与周围各层当中所发挥的作用。但是没有规定媒体的连接单元以及其驻留媒体，也没有规定应用层。因此，用户可以直接建立基于CAN2.0规范的数据通信；不过，这种数据通信的传输内容一般不能灵活修改，适合于固定通讯方式。 由于CAN2.0规范没有规定信息标识符的分配，因此可以根据不同应用使用不同的方法。所以，在设计一个基于CAN的通讯系统时，确定CAN标识符的分配非常重要，标识符的分配和定位也是应用协议、高层协议的其中一个主要研究项目。 CAN2.0规范的目的是定义数据链路层中MAC子层和一小部分LLC子层，以及定义CA
3、N协议于周围各层当中所发挥的作用。,上一页,下一页,返回,第一节 CAN技术规范,二、基本概念 1.CAN的分层结构 根据ISO/OSI参考模型，CAN被细分为如图6-1所示的几个不同的层次。 （1）用户可以在应用层上定义协议或规范，如CANopen、DeviceNet、SAE J1939等。 （2）逻辑链路控制子层LLC设计报文滤波、过载通知以及恢复管理； （3）媒体访问控制子层MAC是CAN协议的核心。它把接收到的报文提供给LLC子层，并接收来自LLC子层的报文。MAC子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。MAC子层也被称作“故障界定”的管理实体监管。此故障界定为自检机制，以便把永
4、久故障和短时扰动区别开来。,上一页,下一页,返回,第一节 CAN技术规范,（4）物理层定义信号是如何实际的传输的，因此涉及位时间、位编码、同步的解释。本技术规范没有定义物理层的驱动器/接收器特性，以便允许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 2.报文 总线上的信息以及格不同的固定格式的报文发送，但长度受限。当总线空闲时任何连接的单元都可以开始发送新的报文。 3.信息路由 在CAN系统里，CAN的节点不使用任何关于系统配置的报文。以下是几个重要的概念：,上一页,下一页,返回,第一节 CAN技术规范,（1）系统灵活性：不需要应用层以及任何节点软件和硬件的任何改变，可以在CAN网络中直接添
5、加节点。 （2）报文路由：报文的寻址内容由识别符指定。识别符不指出报文的目的地，但解释数据的含义。 （3）多播：由于引入了报文滤波的概念，任何节点都可以接收报文，并与此同时对此报文作出反应。 （4）数据连贯性：应确保报文在CAN网络里同时被所有的节点接收。,上一页,下一页,返回,第一节 CAN技术规范,4.位速率 不同的系统，CAN的速度不同。可是，在一个给定的系统里，位速率是唯一的，并且是固定的。 5.优先权 在总线访问期间，识别符定义一个静态的报文优先权。 6.远程数据请求 通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的数据帧。数据帧和相应的远程帧具有相同的识别符。,上一页,下一
6、页,返回,第一节 CAN技术规范,7.多主机 总线空闲时，任何单元都可以开始传送报文。具有较高优先权报文的单元可以获得总线访问权。这种特性特别适合于汽车各个电控系统。 多路总线技术的核心是采用串行总线。目前各种场合的串行总线种类很多，其中许多是单主站形式，如图6-2所示。 主站点向从站点1发出命令时，从站点2和从站点3也同时收到命令但并不回答，只有从站点1回答；主站点向从站点2发送命令时，从站点1和从站点3也收到命令不回答，只用从站点2回答。主站点和从站点之间的关系好像是上课时老师和学生的关系。,上一页,下一页,返回,第一节 CAN技术规范,8.仲裁 只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文。
7、如果两个或两个以上的单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。通过使用了识别符的逐位仲裁可以解决这个冲突。仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。 9.安全性 为了获得最安全的数据发送，CAN的每一个节点均采取了强有力的措施以便于错误检测、错误标定及错误自检。 10.错误标定和恢复时间 任何检测到错误的节点会标志出损坏的报文。此报文会失效并将自动地开始重新传送。如果不再出现错误的话，从检测到错误到下一报文的传送开始为止，恢复时间最多为31个位的时间。,上一页,下一页,返回,第一节 CAN技术规范,11.故障界定 CAN节点能够把永久故障和短暂扰动区分开来。故障的节点会被关闭。 12.连接 CA
8、N串行通讯链路是可以连接许多单元的总线。理论上，可连接无数次的单元。但由于实际上受延迟时间以及/或者总线线路上电气负载的影响，连接单元的数量是有限的。 13.单通道 总线由单一通道组成。通过此通道可以获得数据的再同步报文。,上一页,下一页,返回,第一节 CAN技术规范,14.总线值 总线有一个补充的逻辑值：“显性”或“隐性”。“显性”位和“隐性”位同时传送时，总线的结果值为“显性”。 15.应答 所有的接收器检查报文的连贯性。对于连贯的报文，接收器应答，对于不连贯的报文，接收器作出标志。 16.睡眠模式/唤醒 为了减少系统电源的功率消耗，可以将CAN器件设为睡眠模式以便停止内部活动及断开与总线
9、驱动器的连接。CAN器件可由总线激活，或系统内部状态而被唤醒。 17.振荡器容差 位定时的精度要求允许在传输率为125Kb/s以内的应用中使用陶瓷谐振器。为了满足CAN协议在整个总线速度范围，需要使用晶体振荡器。,上一页,下一页,返回,第一节 CAN技术规范,三、报文传输 1.帧格式 有两种不同的帧格式，不同之处为识别符场的长度不同:具有11位识别符的帧称之为标准帧，而还有29位识别符的帧称为扩展帧。 2.帧类型 报文传输由数据帧、远程帧、错误帧、过载帧四个不同帧类型所表示和控制。 数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式，它们用一个帧间空间与前面的帧分隔。,上一页,下一页,返回,第一节
10、CAN技术规范,（1）数据帧：将数据从发送器传输到接收器。数据帧由7个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结尾。数据场的长度可以为0（有些书籍中“场”用“域”代替）。 报文的数据帧结构如图6-3所示。 帧起始（标准格式和扩展格式）。帧起始标志数据帧的起始，仅由一个“显性”位组成。 仲裁场。仲裁场的标准格式帧和扩展格式帧的仲裁场不同： 标准格式里，仲裁场由11位识别符和RTR位组成，如图6-4（a）所示。 扩展格式里，仲裁场包括29位识别符、SRR位、IDE位、RTR位，如图6-4（b）所示。,上一页,下一页,返回,第一节 CAN技术规范,控制场（标准格式和扩展格
11、式）。控制场由6个位组成，如图6-5所示。标准格式的控制场和扩展格式的不同：标准格式里的帧包括数据长度代码、IDE位（为显性位）和保留位r0；扩展格式里的帧包括数据长度代码和两个保留位r1和r0，其保留位必须发送为显性，但是接收器认可“显性”和“隐性”位的组合。 数据长度代码（DLC），如图6-6所示。 数据场（标准格式和扩展格式）。数据场由数据帧里的发送数据组成。它可以为08个字节，每字节包含了8个位，首先发送MSB。,上一页,下一页,返回,第一节 CAN技术规范,CRC场（标准格式和扩展格式）。CRC场是循环冗余码的英文缩写。CRC场包括CRC序列，其后是CRC界定符，如图6-7所示。 应
12、答场（标准格式和扩展格式）。应答场长度为2个位，包含应答间隙和应答界定符，如图6-8所示。在ACK里，发送站发送两个“隐性”位。当接收器正确的接收到有效的报文，接收器就会在应答间隙期间向发送器发送一“显性”位以示应答。 帧结尾（标准格式和 扩展格式）。每个数据帧和远程帧均由一标志序列界定，这个 标志序列由7个“隐性”的位组成。,上一页,下一页,返回,第一节 CAN技术规范,（2）远程帧。作为数据接收器的某站点通过发送远程帧，可以启动其资源节点传送它们各自的数据。远程帧也有标准格式和扩展格式，而且都由6个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场、帧结尾。 与数据帧相反，远程帧的R
13、TR位是“隐性”的。它没有数据场，数据长度代码的数值时不受制约的。远程帧结构如图6-9所示。 （3）错误帧。错误帧由两个不同的场组成，如图6-10所示。第一个场是不同站点提供的错误标志的叠加，第二个场是错误界定符。,上一页,下一页,返回,第一节 CAN技术规范,（4）过载帧。过载帧包括两个位场：过载标志和过载界定符，其结构如图6-11所示。 过载标志。过载标志由6个“显性”的位组成。过载标志的所有形式和“激活错误”标志的一样。 过载界定符。过载界定符包括8个“隐性”的位。过载界定符的形式和错误界定符的形式一样。 （5）帧间空间。数据帧（或远程帧）与它前面帧的分隔是通过帧间空间实现的，无论它前面
14、帧类型如何（数据帧、远程帧、错误帧、过载帧）。所不同的是，过载帧与错误帧之前没有帧间空间，多个过载帧之间也不是由帧间空间隔离的。,上一页,下一页,返回,第一节 CAN技术规范,帧间空间包括间歇、总线空闲的位场。如果“错误认可”的站已作为前一报文的发送器时，则其帧空间除了间歇、总线空闲外，还包括称作挂起传送的位场。 对于已作为前一报文发送器的“错误认可”的站，其帧间空间如图6-12所示。 对于已作为前一报文发送器的“错误激活”的站，其帧间空间如图6-13所示。 3.关于帧格式的一致性 标准格式相当于在CAN1.2规范中描述的数据/远程帧，而扩展格式是CAN协议的一新特色。为了使控制器的设计相对地
15、简单，不要求扩展格式的仪器达到它的完整扩展。但是，仪器必须无条件地支持标准格式。,上一页,下一页,返回,第一节 CAN技术规范,如果新的控制器至少具有以下属性：每一新的控制器支持标准格式；每一新的控制器可以接收扩展格式的报文，这需要扩展格式不因其格式而被破坏，并不要求新的控制器非得支持扩展格式。新的控制器则被认为是符合CAN规范的。 4.发送器和接收器的定义 （1）发送器。产生报文的单元被称之为报文“发送器”。此单元保持作为报文发送器直到总线出现空闲或此单元失去仲裁为止。 （2）接收器。如果有一单元不作为报文的发送器并且总线也不空闲，则这一单元就被称之为报文的“接收器”。,上一页,下一页,返回
16、,第一节 CAN技术规范,四、报文滤波 报文滤波取决于整个识别符。允许在报文滤波中将任何的识别符位设置为“不考虑”的可选屏蔽寄存器，可以选择多组的识别符，使之被映射到隶属的接收缓冲器里。 如果使用屏蔽寄存器，它的每一个位必须是可编程的，即，他们能够被允许或禁止报文滤波。屏蔽寄存器的长度可以包含整个识别符，也可以包含部分的识别符。,上一页,下一页,返回,第一节 CAN技术规范,五、报文校验 校验报文有效的时间点，发送器与接收器各不相同： 1.发送器 如果直到帧的末尾位均没有错误，则此报文对于发送器有效。如果报文破损，则报文会根据优先权自动重发。为了能够与其他报文竞争总线，重新传输必须在总线空闲时启动。 2.接收器 如果直到一最后的位均没有错误，则报文对于接收器有效。帧末尾最后的位置于“不重要”状态，如果是一个“显性”电平也不会引起格式错误。,上一页,下一页,返回,第一节 CAN技术规范,六、编码 编码即位流编码，它的规定是帧的部分，诸如帧起始、仲裁场、控制场、数据场以及CRC序列，均通过位填充的方法编码。无论何时，发送器只要检测到位流里有5个连续相同值的位，便自动在位
