CAN總線基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)筆記

依照瑞薩公司的《CAN入門(mén)書(shū)》的組織思路來(lái)學(xué)習(xí)CAN通信的相關(guān)知識(shí)，并結(jié)合網(wǎng)上相關(guān)資料以及學(xué)習(xí)過(guò)程中的領(lǐng)悟整理成筆記。好記性不如爛筆頭，加油！

1 CAN的一些基本概念

1.1 什么是CAN總線

CAN 是 Controller Area Network 的縮寫(xiě)，是 ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。通俗來(lái)講，CAN總線就是一種傳輸數(shù)據(jù)的線，用于在不同的ECU之間傳輸數(shù)據(jù)。?
CAN總線有兩個(gè)ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：ISO11898 和 ISO11519。其中：

ISO11898?定義了通信速率為 125 kbps～1 Mbps 的高速 CAN?通信標(biāo)準(zhǔn)，屬于閉環(huán)總線，傳輸速率可達(dá)1Mbps，總線長(zhǎng)度 ≤ 40米。

ISO11519?定義了通信速率為 10～125 kbps 的低速 CAN?通信標(biāo)準(zhǔn)，屬于開(kāi)環(huán)總線，傳輸速率為40kbps時(shí)，總線長(zhǎng)度可達(dá)1000米。?

Tips:?<總線的傳輸速率>：又稱為總線的通信速率，指的是位速率?；蚍Q為比特率（和波特率不是一回事），表示的是：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，通信線路上傳輸?shù)亩M(jìn)制位的數(shù)量，其基本單位是 bps 或者 b/s (bit per second)。

1.2 CAN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

下圖中，左邊是高速CAN總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，右邊是低速CAN總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。?

如圖中所示，CAN總線包括CAN_H 和 CAN_L 兩根線。節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN控制器和CAN收發(fā)器連接到CAN總線上。

Tips?：通常來(lái)講，ECU內(nèi)部集成了CAN控制器和CAN收發(fā)器，但是也有沒(méi)集成的，需要自己外加。

1.3 CAN信號(hào)表示

在CAN總線上，利用CAN_H和CAN_L兩根線上的電位差來(lái)表示CAN信號(hào)。CAN總線上的電位差分為顯性電平和隱性電平。其中顯性電平為邏輯0，隱性電平為邏輯1。?
ISO11898標(biāo)準(zhǔn)（125kbps ~ 1Mbps）和ISO11519標(biāo)準(zhǔn)（10kbps ~ 125kbps）中CAN信號(hào)的表示分別如下所示：?

1.4 CAN信號(hào)傳輸

發(fā)送過(guò)程：?
CAN控制器將CPU傳來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為邏輯電平（即邏輯0-顯性電平或者邏輯1-隱性電平）。CAN發(fā)射器接收邏輯電平之后，再將其轉(zhuǎn)換為差分電平輸出到CAN總線上。?

接收過(guò)程：?
CAN接收器將CAN_H 和 CAN_L 線上傳來(lái)的差分電平轉(zhuǎn)換為邏輯電平輸出到CAN控制器，CAN控制器再把該邏輯電平轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送到CPU上。?

概括的講：

發(fā)送方通過(guò)使總線電平發(fā)生變化，將其信息傳遞到CAN總線上。

接收方通過(guò)監(jiān)聽(tīng)總線電平，將總線上的消息讀入自己的接收器。

2 CAN通信的特點(diǎn)

2.1 多主工作方式

所謂多主工作方式，指的是：總線上的所有節(jié)點(diǎn)沒(méi)有主從之分，大家都處于平等的地位。反應(yīng)在數(shù)據(jù)傳輸上，即是：在總線空閑狀態(tài)，任意節(jié)點(diǎn)都可以向總線上發(fā)送消息。

Tips:?<總線空閑狀態(tài)>：當(dāng)總線上的上出現(xiàn)連續(xù)的11位隱性電平，那么總線就處于空閑狀態(tài)。也就是說(shuō)對(duì)于任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)而言，只要它監(jiān)聽(tīng)到總線上連續(xù)出現(xiàn)了11位隱性電平，那么該節(jié)點(diǎn)就會(huì)認(rèn)為總線當(dāng)前處于空閑狀態(tài)，它就會(huì)立即向總線上發(fā)送自己的報(bào)文。?
至于為什么連續(xù)出現(xiàn)11位隱性電平，就可以判定+總線處于空閑狀態(tài)，這個(gè)問(wèn)題可以結(jié)合CAN協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行理解。

在多主工作方式下：

最先向總線發(fā)送消息的節(jié)點(diǎn)獲得總線的發(fā)送權(quán)；

當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送消息時(shí)，所發(fā)送消息的優(yōu)先權(quán)高的那個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得總線的發(fā)送權(quán)。?
例如：Node_A和Node_B同時(shí)向總線發(fā)送各自的消息Msg_1和Msg_2，如果Msg_1的優(yōu)先級(jí)比Msg_2高，那么Node_A就獲得了總線的發(fā)送權(quán)。

2.2 非破壞性位仲裁機(jī)制

在CAN協(xié)議中，所有的消息都以固定的幀格式發(fā)送。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送消息時(shí)，對(duì)各個(gè)消息的標(biāo)識(shí)符（即ID號(hào)）進(jìn)行逐位仲裁，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息仲裁獲勝，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)將獲取總線的發(fā)送權(quán)，仲裁失敗的節(jié)點(diǎn)則立即停止發(fā)送并轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)聽(tīng)（接收）狀態(tài)。?
例如：Node_A和Node_B同時(shí)向總線發(fā)送各自的消息Msg_1和Msg_2，那么對(duì)Msg_1的ID號(hào)ID_1和Msg_2的ID號(hào)ID_2進(jìn)行逐位仲裁，如果仲裁結(jié)果是：ID_1的優(yōu)先級(jí)比ID_2高，那么Msg_1在仲裁中獲勝，于是發(fā)出Msg_1這條報(bào)文的節(jié)點(diǎn)Node_A就獲得了總線的發(fā)送權(quán)。同時(shí)，Msg_2在仲裁中失敗，于是Node_B就轉(zhuǎn)換到監(jiān)聽(tīng)總線電平的狀態(tài)。

這種仲裁機(jī)制既不會(huì)造成已發(fā)送數(shù)據(jù)的延遲，也不會(huì)破壞已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，所以稱為非破壞性仲裁機(jī)制。這種仲裁方式的實(shí)現(xiàn)機(jī)制參見(jiàn)本系列筆記的第二篇CAN協(xié)議數(shù)據(jù)幀與遙控幀中的介紹。

2.3 系統(tǒng)的柔性

CAN總線上的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有“地址”的概念，因此在總線上增加節(jié)點(diǎn)時(shí)，不會(huì)對(duì)總線上已有節(jié)點(diǎn)的軟硬件及應(yīng)用層造成影響。

2.4 通信速度

在同一條CAN線上，所有節(jié)點(diǎn)的通信速度（位速率）必須相同，如果兩條不同通信速度總線上的節(jié)點(diǎn)想要實(shí)現(xiàn)信息交互，必須通過(guò)網(wǎng)關(guān)。?
例如：汽車(chē)上一般有兩條CAN總線：500kbps的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)CAN總線和125kbps的舒適系統(tǒng)CAN總線，如果驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)CAN總線上的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)點(diǎn)要把自己的轉(zhuǎn)速信息發(fā)送給舒適系統(tǒng)CAN總線上的轉(zhuǎn)速表節(jié)點(diǎn)，那么這兩條總線必須通過(guò)網(wǎng)關(guān)相連。

2.5 數(shù)據(jù)傳輸方式

CAN總線可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)一，一對(duì)多以及廣播的數(shù)據(jù)傳輸方式，這依賴于驗(yàn)收濾波技術(shù)。驗(yàn)收濾波技術(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制參見(jiàn)本系列筆記的第二篇CAN協(xié)議幀結(jié)構(gòu)中的介紹。

2.6 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求

某個(gè)節(jié)點(diǎn)Node_A可以通過(guò)發(fā)送“遙控幀”到總線上的方式，請(qǐng)求某個(gè)節(jié)點(diǎn)Node_B來(lái)發(fā)送由該遙控幀所指定的報(bào)文。具體實(shí)現(xiàn)方式參見(jiàn)本系列筆記的第二篇CAN協(xié)議幀結(jié)構(gòu)中的介紹。

2.7 錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤通知、錯(cuò)誤恢復(fù)功能

所有的節(jié)點(diǎn)都可以檢測(cè)出錯(cuò)誤（錯(cuò)誤檢測(cè)功能）；

檢測(cè)出錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)會(huì)立即通知總線上其它所有的節(jié)點(diǎn)（錯(cuò)誤通知功能）；

正在發(fā)送消息的節(jié)點(diǎn)，如果檢測(cè)到錯(cuò)誤，會(huì)立即停止當(dāng)前的發(fā)送，并在同時(shí)不斷地重復(fù)發(fā)送此消息，直到該消息發(fā)送成功為止（錯(cuò)誤恢復(fù)功能）。

2.8 故障封閉

節(jié)點(diǎn)能夠判斷錯(cuò)誤的類(lèi)型，判斷是暫時(shí)性的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（如噪聲干擾）還是持續(xù)性的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（如節(jié)點(diǎn)內(nèi)部故障），如果判斷是嚴(yán)重的持續(xù)性錯(cuò)誤，那么節(jié)點(diǎn)就會(huì)切斷自己與總線的聯(lián)系，從而避免影響總線上其他節(jié)點(diǎn)的正常工作。

CAN通信的上述特點(diǎn)都是基于CAN協(xié)議所定義的多種幀結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，在下一篇筆記對(duì)CAN的幀結(jié)構(gòu)有了了解之后，再做進(jìn)一步的詳細(xì)解釋。

3 CAN通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.1 OSI基本參照模型

實(shí)際上，CAN總線網(wǎng)絡(luò)底層只采用了OSI基本參照模型中的數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層。而在CAN網(wǎng)絡(luò)高層僅采用了OSI基本參照模型的應(yīng)用層?

3.2 CAN協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層次

在CAN協(xié)議中，ISO標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層做了規(guī)定。對(duì)于數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的一部分，ISO11898和ISO11519-2的規(guī)定是相同，但是在物理層的PMD子層和MDI子層是不同的。?

在CAN總線，每一層網(wǎng)絡(luò)中定義的事項(xiàng)如下：?