CAN总线

 

概念

CAN（Controller Area Network）总线协议是由 BOSCH 发明的一种基于消息广播模式的串行通信总线，它起初用于实现汽车内ECU之间可靠的通信，后因其简单实用可靠等特点，而广泛应用于工业自动化、船舶、医疗等其它领域。相比于其它网络类型，如局域网（LAN, Local Area Network）、广域网（WAN, Wide Area Network）和个人网（PAN, Personal Area Network）等，CAN 更加适合应用于现场控制领域，因此得名。

CAN总线是一种多主控（Multi-Master）的总线系统，它不同于USB或以太网等传统总线系统是在总线控制器的协调下，实现A节点到B节点大量数据的传输，CAN网络的消息是广播式的，亦即在同一时刻网络上所有节点侦测的数据是一致的，因此比较适合传输诸如控制、温度、转速等短消息。

CAN起初由BOSCH提出，后经ISO组织确认为国际标准，根据特性差异又分不同子标准。CAN国际标准只涉及到 OSI（开放式通信系统参考模型 ）的物理层和数据链路层。上层协议是在CAN标准基础上定义的应用层，市场上有不同的应用层标准。

 

发展历史 

1983年，BOSCH开始着手开发CAN总线；
1986年，在SAE会议上，CAN总线正式发布；
1987年，Intel和Philips推出第一款CAN控制器芯片；
1991年，奔驰 500E 是世界上第一款基于CAN总线系统的量产车型；
1991年，Bosch发布CAN 2.0标准，分 CAN 2.0A （11位标识符）和 CAN 2.0B （29位标识符）；
1993年，ISO发布CAN总线标准（ISO 11898），随后该标准主要有三部分：
ISO 11898-1：数据链路层协议
ISO 11898-2：高速CAN总线物理层协议
ISO 11898-3：低速CAN总线物理层协议
注意：ISO 11898-2和ISO 11898-3物理层协议不属于 BOSCH CAN 2.0标准。

2012年，BOSCH发布 CAN FD 1.0 标准（CAN with Flexible Data-Rate），CAN FD定义了在仲裁后确使用不同的数据帧结构，从而达到最高 12Mbps 数据传输速率。CAN FD与CAN 2.0协议兼容，可以与传统的CAN 2.0设备共存于同样的网络
 

标准化

CAN标准分为底层标准（物理层和数据链路层）和上层标准（应用层）两大类。CAN底层标准主要是 ISO 11898 系列的国际标准，也就是说不同厂商在CAN总线的物理层和数据链路层定义基本相同；而上层标准，涉及到例如流控制、设备寻址和大数据块传输控制等，不同应用领域或制造商会有不同的做法，没有统一的国际标准。

 

底层标准

CAN底层标准涵盖OSI模型中的物理层和数据链路层，底层标准包括：

ISO 11898-1: 2015 定义CAN总线的数据链路层（DLL）和电气信号标准，描述CAN总线的基本架构，定义不同CAN总线设备在数据链路层通信方式，详细说明逻辑链接控制（LLC）和介质访问控制（MAC）子层部分；
ISO 11898-2: 2003 定义高速CAN总线（HS-CAN）物理层标准，最高数据传输速率 1Mbps ，应用为两线平衡式信号（CAN_H, CAN_L），HS CAN是汽车动力和工业控制网络中应用最为广泛的物理层协议；
ISO 11898-3: 2006 定义低速CAN总线（LS-CAN, Fault-Tolerant CAN）物理层标准，数据传输速率在 40Kbps ~ 125Kbps 。Fault-Tolerant是指总线上一根传输信号失效时，依靠另外的单根信号也可以通信，LS CAN主要应用于汽车车身电控单元之间通信；
ISO 11898-4: 2004 定义CAN总线中的时间触发机制（Time-Triggered CAN, TTCAN），定义与ISO 11898-1 配合的帧同步实体，实现汽车ECU之间基于时间触发的通信方式。注意，ISO 11898-1 是基于事件驱动（Event-Driven）的通信，它对于高负荷总线上，尤其是低优先级的消息会造成较大的延迟，而基于时间触发的ISO 11898-4 标准的初衷也正是为解决该问题，确保CAN总线上可靠的消息传输；
ISO 11898-5: 2007 对ISO 11898-2高速CAN总线的补充，并参照ISO 8802-2，定义在总线闲置时的节电特性；
ISO 11898-6: 2013 对ISO 11898-2 和 ISO 11898-5 的补充，并参照ISO 8802-2，定义使用可配置的帧实现选择性唤醒总线的机制；
ISO 16845-1: 2004 定义测试符合ISO 11898-1标准CAN应用的方法和条件；
ISO 16845-2: 2014 定义包括特定功能下可以选择性唤醒总线的CAN收发器的测试实例和测试要求，也称为CAN总线的一致性测试
CAN总线底层标准与ISO/OSI模型的对应关系，如图1所示。对于媒体专用接口（Medium Dependent Interface, MDI），没有统一的国际标准。CiA DS-102 （CiA: CAN in Automation ）仅定义使用专用连接器（DB9），并对PIN定义作出一定规范。

 

上层标准

虽然底层标准相同，不同应用领域和组织会制定不同的上层标准。有的厂商开发并推广其应用层标准，在某些领域得以广泛应用。对于汽车行业来说，几乎每家厂商都有自己的CAN上层标准。比较流行的有工业自动化领域 CiA 的 CANopen ，Rockwell 的 DeviceNet；嵌入式控制领域 Kvaser 的 CAN Kingdom；智能设备控制 Honeywell 的 SDS；汽车诊断 ISO 14229 定义的 UDS，和中重型汽车CAN总线标准 SAE J1939 。如表1示。

 

总线特点

• 符合OSI开放式通信系统参考模型；
• 两线式总线结构，电气信号为差分式；
• 多主控制。在总线空闲时，所有的单元都可开始发送消息，最先访问总线的单元可获得发送权；多个单元同时开始发送时，发送高优先级 ID 消息的单元可获得发送权；
• 消息报文不包含源地址或者目标地址，仅通过标识符表明消息功能和优先级；
• 基于固定消息格式的广播式总线系统，短帧结构；
• 事件触发型。只有当有消息要发送时，节点才向总线上广播消息；
• 可以通过发送远程帧请求其它节点发送数据；
• 消息数据长度 0~8 Byte；
• 错误检测功能。所有节点均可检测错误，检测处错误的单元会立即通知其它所有单元；
• 发送消息出错后，节点会自动重发；
• 故障限制。节点控制器可以判断错误是暂时的数据错误还是持续性错误，当总线上发生持续数据错误时，控制器可将节点从总线上隔离；
• 通信介质可采用双绞线、同轴电缆和光导纤维，一般使用最便宜的双绞线；
• 理论上，CAN总线用单根信号线就可以通信，但还是配备了第二根导线，第二根导线与第一根导线信号为差分关系，可以有效抑制电磁干扰；
• 在40米线缆条件下，最高数据传输速率 1Mbps；
• 总线上可同时连接多个节点，可连接节点总数理论上是没有限制的，但实际可连接节点数受总线上时间延迟及电气负载的限制；
• 未定义标准连接器，但经常用9脚 DSUB

 

 

 

数据帧报文

 

参考：https://blog.csdn.net/cheatscat/article/details/82886889