CAN匯流排的汽車
CAN概念
CAN
是
控制器域網
（Controller Area Network， CAN） 的簡稱，是由研發和生產汽車電子產品著稱的
德國BOSCH
公司開發了的，並最終成為國際標準（
ISO11898
），是ISO國際標準化的
序列通訊協議
。是國際上應用最廣泛的
現場匯流排
之一。 在
北美
和
西歐
，
CAN匯流排協議
已經成為汽車
計算機控制系統
和嵌入式工業控制區域網的標準匯流排，並且擁有以CAN為底層協議專為
大型貨車
和重工機械車輛設計的
J1939協議
。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用於汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業環境。
CAN的兩個ISO國際標準：
1）
ISO11898
：定義了通訊速率為 125 kbps～1 Mbps 的
高速 CAN
通訊標準，屬於閉環匯流排，傳輸速率可達1Mbps，匯流排長度 ≤ 40米。
2）
ISO11519
：定義了通訊速率為 10～125 kbps 的
低速 CAN
通訊標準，屬於開環匯流排，傳輸速率為40kbps時，匯流排長度可達1000米。
CAN種類
1）高速CAN：
a。根據線纜的長度提供從5Kbit/s到1Mbit/s的波特率。
b。高速CAN網路在每個網路端點端接一個120歐姆的電阻。
c。電平靜默為2。5V，上下限是3。5V和1。5V。
2） 容錯CAN：
a。提供5Kbit/s到125Kbits/s的波特率。
b。顯性時則為1V和4V。
3）單線CAN：
a。提供5Kbit/s到125Kbits/s的波特率。
b。單線CAN的波特率一般為33。3KHz。
汽車CAN網路
汽車CAN網路
汽車CAN匯流排
CAN組成
CAN匯流排的一個
幀
主要由
幀資訊
，
幀ID
和
幀資料
組成。
1）幀資訊
：分四類，
標準資料幀
（汽油車、電機）、
標準遠端幀
（少見）、
擴充套件資料幀（
廣大柴油車、部分汽油車）、
擴充套件遠端幀
（少見）。
2）幀ID：
是CAN的一種“地址”。CAN有個特點是
競爭機制
，
幀ID越小越有佔用匯流排資源的權利，越會優先發送。
CAN ID
DBC檔案：
車輛行業中，如果對車輛CAN總線上的每個幀ID及每個幀資料都做出了標準的解釋，形成了的檔案就是DBC檔案。
3）幀資料：
和串列埠相比，
CAN的幀資料只有8個位元組，即64個位
，不會再多了。但CAN FD作為新型匯流排解決了僅有8位元組這個問題。
4）終端電阻：
CAN和RS485一樣，要在終端減少差分訊號的反射，如不在兩個終端加電阻，訊號會反彈回來影響通訊。終端電阻在CAN總線上要有兩個，阻值為120歐姆，並聯，最遠的終端一邊一個。如果有多個節點的話，終端電阻應適當加大。
5）波特率
：常見的車輛波特率有500K，250K，125K，100K。
CAN匯流排標準
ISO標準
CAN標準分為
底層標準
（物理層和資料鏈路層）和
上層標準
（應用層）兩大類
ISO 11898-1 – CAN協議
ISO 11898-2 – CAN高速物理層
ISO 11898-3 – CAN低速可容錯物理層
ISO 11898-4 – 時間觸發CAN
ISO 11898-5 – “低功率模式高速介質存取單元” – 目前處於起草階段
ISO 11519-2 – 已過時，被11898-3取代。
ISO 14230 – “關鍵字協議2000” – 定義非CAN序列線路診斷的若干部分。
ISO 15765 – CAN總線上定義診斷的標準 – 本質上是CAN總線上的關鍵字協議2000。
J1939 – 卡車和客車領域應用最廣泛的基於CAN的高層協議，由SAE定義。J1939分成幾個部分，描述物理層、資料鏈路層、網路管理和大量預定義的報文。
ISO 11783 – 與J1939相似，但用於農業領域（諸如拖拉機）
ISO 11992 – 定義卡車和拖車之間的介面
NMEA 2000 – 基於J1939的協議，用於海事領域。由NMEA委員會定義。
如果沒有詳細說明談論中所使用哪種標準，通常其
預設是指ISO 11898-1定義的資料鏈路層協議和ISO 11898-2定義的物理層。
底層標準：
CAN底層標準都基本一樣，涵蓋OSI模型中的物理層和資料鏈路層，與ISO/OSI模型的對應關係如下圖所示：
對應關係
ISO 11898-1：資料鏈路層協議，描述CAN匯流排的基本架構，定義不同CAN匯流排裝置在資料鏈路層通訊方式
ISO 11898-2：高速CAN匯流排物理層協議，最高資料傳輸速率 1Mbps，應用為兩線平衡式訊號（CAN_H， CAN_L）
ISO 11898-3：定義低速CAN匯流排（LS-CAN， Fault-Tolerant CAN）物理層標準，資料傳輸速率在 5Kbps ~ 125Kbps 。Fault-Tolerant是指總線上一根傳輸訊號失效時，依靠另外的單根訊號也可以通訊
ISO 11898-4：定義CAN匯流排中的時間觸發機制（Time-Triggered CAN， TTCAN），定義與ISO 11898-1 配合的幀同步實體，實現汽車ECU之間基於時間觸發的通訊方式。
上層標準：
不同應用領域或製造商有不同的做法，沒有統一的國際標準
上層協議對比
CAN的幀種類（四種幀型別）
1）資料幀
用於傳送單元向接收單元傳送資料的幀。
資料幀的幀結構圖：
資料幀
SOF：表示資料幀開始；（1 bit），發出一個顯性位邊沿，網路節點以此開始同步
ID：標準格式11 bit，擴充套件格式29 bit包括Base ID（11 bit）和Extended IDr（18 bit），該區段標識資料幀的優先順序，數值越小，優先順序越高；
RTR：遠端傳輸請求位，0時表示為資料幀，1表示為遠端幀，也就是說RTR=1時，訊息幀的Data Field為空；（1 bit）
IDE：（1 bit）識別符號擴充套件位，0時表示為標準格式，1表示為擴充套件格式；擴充套件幀和標準幀格式不同，不能存在於同一can網路
DLC：資料長度程式碼，0-8表示資料長度為0~8 Byte；（4 bit）
Data Field：資料域；（0~8 Byte）
CRC （15 bit）：
校驗域，從sof到資料場的所有資料進行encode
由傳送方填
校驗演算法G（x） = x15 + x14 + x10 + x8 + x7 + x4 + x3 + 1；（15 bit）
DEL：校驗域和應答域的隱性界定符；（1 bit）
ACK：（1 bit）
應答域，確認資料是否正常接收，所謂正常接收是指不含填充錯誤、格式錯誤、 CRC 錯誤。
傳送節點將此位為1，由接收方進行確認，收到訊息給出一個顯性位0
如果一個節點都沒有確認收到訊息，傳送方監聽此位為隱形位就會報錯
SRR：替代遠端請求位，在擴充套件格式中佔位用，必須為1；（1 bit）
EOF：連續7個隱性位（1）表示幀結束；（7 bit）
ITM（3 bit）：
幀間空間，Intermission （ITM），又稱Interframe Space （IFS），連續3個隱性位，但它不屬於資料幀。
幀間空間是用於將資料幀和遠端幀與前面的幀分離開來的幀。資料幀和遠端幀可透過插入幀間空間將本幀與前面的任何幀（資料幀、遙控幀、錯誤幀、過載幀）分開。過載幀和錯誤幀前不能插入幀間空間。
2）遠端幀
用於接收單元向具有相同識別符號的傳送單元請求資料的幀。
遠端幀與資料幀的幀結構類似，區別：
1、資料幀的 RTR 值為“0”，遠端幀的 RTR 值為“1”。
2、遠端幀沒有資料塊。
3、遠端幀的 DLC 塊表示請求傳送單元傳送的資料長度。
格式圖
遠端幀
當總線上具有相同識別符號的資料幀和遠端幀同時傳送時，由於資料幀的 RTR 位是顯性的，資料幀將在仲裁中贏得匯流排控制權。
3）錯誤幀
用於當檢測出錯誤時向其它單元通知錯誤的幀。
錯誤幀的幀結構由錯誤標誌和錯誤界定符構成。
錯誤標誌：6bit，
錯誤標誌
錯誤界定符：由8bit的隱性位構成。
4）過載幀
接收單元通知傳送單元它尚未完成接收準備。
傳送過載幀的兩種情況：
1、接收單元條件的制約，要求傳送節點延緩下一個資料幀或遠端幀的傳輸。
2、幀間空間（Intermission）的 3 bit 內檢測到顯性位。
每個節點最多連續傳送兩條過載幀，過載幀由過載標誌和過載界定符（8 個隱性位）構成。
過載幀
資料幀和遠端幀比較：
比較
CAN匯流排仲裁
仲裁優先順序：
識別符號值越小，訊息的優先順序越高
線與邏輯
：只有節點發送的
全是隱性
，匯流排電平才表現
為隱性
所有傳送節點在傳送資料的同時，也檢測總線上的電平狀態，逐位對比總線上電平與自身傳送的電平。
1）發 0 出現 1 ：報錯。
2）發 0 出現 0 ：繼續。
3）發 1 出現 1： 繼續。
4）發 1 出現 0： 競爭失敗，轉為接收方。
傳送自檢
如下圖，競爭失敗的C節點會自動在檢測到匯流排空閒的第一時間再次嘗試傳送。
CAN 節點A和C同時傳送資料幀，CAN匯流排根據優先順序仲裁，C失去權力
CAN條件接收
在CAN總線上
訊息是廣播式
的，節點可以透過設定控制器中過濾碼（Filter Code ）和掩碼（Mask Code），再檢驗總線上訊息的識別符號，來判斷是否接收該訊息，對於掩碼，“1”表示該位與本節點相關，“0”表示該位與本節點不相關。
CAN-BUS資料流程
STM32的can過濾碼
位填充
CAN匯流排採用NRZ編碼，沒有單獨時鐘線，優點是效率高，但卻不易區分哪裡是bit開始，哪裡是bit結束。因此為確保在同步通訊過程中有足夠的電平跳變，規範中應用到
位填充機制
，即在每連續 5個相同電平後插入1個
反相電平
，接收節點在收到訊息後自動將填充位刪除。
資料幀位填充比較圖
在幀內除了CRC界定符、ACK域和EOF外，其餘部分均應用到位填充機制，在應用到位填充的域，檢測到連續6個顯性位或隱性位均視為報錯。
CAN錯誤檢驗
CRC錯誤
1）在傳送訊息時，傳送節點會根據特定的多項式計算出由資料幀SOF位到資料域最末位的Checksum值，並將該值放在資料幀的CRC域，隨著資料幀廣播到總線上。
2）接收節點在收到資料後，應用同樣的多項式計算Checksum值，並與收到的Checksum值對比。如果兩者一致，正常接收；如果不一致，則捨棄該訊息，併發送錯誤幀請求傳送節點重傳訊息。
應答錯誤（ACK Error）
接收方會在收到訊息後在ack應答位給出一個顯性電平，如果傳送方檢測到該位為隱性，則報錯。
格式錯誤（Form Error）
檢測出與固定格式的位段相反的格式時所檢測到的錯誤，如檢測crc界定符和ack界定符以及eof區域是否出現顯性位。
位錯誤（Bit Error）
比較輸出電平和匯流排電平（不含填充位），當兩電平不一樣時所檢測到的錯誤。如傳送顯性位，但匯流排是隱性位就報錯。
填充錯誤（Stuff Error）
在需要位填充的段內，連續檢測到 6 位相同的電平時所檢測到的錯誤。
CAN匯流排錯誤檢測機制
CAN總線上的
每個節點控制器都會檢測訊息是否出錯
，如果節點發現訊息出錯，它將傳送錯誤標誌，從而打斷總線上正常的資料傳輸。總線上其它沒有發現原始訊息錯誤的節點，在收到錯誤標誌後將採取必要的措施，比如捨棄當前總線上的訊息。
CAN節點內部有兩種錯誤狀態計數器 ：
1）TEC /Transmit Error Counter，傳送錯誤狀態計數器，出現一次錯誤該計數器值 +8
2）REC /Receive Error Counter，接收錯誤狀態計數器，出現一次錯誤該計數器值 +1
3）訊息成功傳送或接收一次，對應的 TEC 或 REC 值相應 -1
錯誤計數
CAN規範定義了節點的 3 種錯誤狀態：
1） 主動錯誤：正常狀態，在此狀態下，節點可以傳送所有型別的幀，包括錯誤幀；發現錯誤後會很積極主動地上報錯誤。
2）被動錯誤：節點可以傳送除錯誤幀以外的所有幀；TEC or REC 計數超過127就進入此狀態；此時，該節點發現錯誤後只會傳送6個隱性位，不會把錯誤廣播出去。並且，傳送連續幀時，中間必須間隔8bit的延緩時間。
3）匯流排關閉：節點被控制器從總線上隔離；或者TEC大於255，就會進入這個狀態，需要重啟，或者等待128個11位隱性位電平。
CAN匯流排錯誤檢測機制