CAN现场总线的基础知识

　　一、CAN总线的概述
　　CAN,全称为“Controller Area Network”,即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。一个由CAN 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN,进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。此后，CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，在欧洲已是汽车网络的标准协议。
　　二、CAN总线的分层结构
　　CAN遵从OSI模型，按照OSI基准模型，CAN结构划分为两层：数据链路层和物理层，如下图所示。
　　
　　1.按照IEEE 802.2和802.3 标准，数据链路层又划分为：
　　1）逻辑链路控制（LLC-Logic Link Control）。
　　2）媒体访问控制（MAC-Medium Access Control）。
　　2.物理层又划分为：
　　1）物理信令（PLS-Physical Signalling）。
　　2）物理媒体附属装置（PMA-Physical Medium Attachment）。
　　3）媒体相关接口（MDI-Medium Dependent Interface）。
　　MAC子层运行借助称之为“故障界定实体（FCE）”的管理实体进行监控。故障界定是使判别短暂干扰和永久性故障成为可能的一种自检机制。物理层可借助检测和管理物理媒体故障实体进行监控（例如总线短路或中断，总线故障管理）。LLC和MAC两个同等的协议实体通过交换帧或协议数据单元（PDU-Protocol Data Unit）和（N）-用户数据组成，为传送一个NPDU,（N-1）层实体必须通过（N-1）服务访问点（SAP-Service Access Point）[（N-1）-SAP].NPDU借助于（N-1）层服务数据单元（SDU-Service Data U nit）[（N-1）-SDU]传至（N-1）层，其服务功能允许NPDU的传送。SDU是接口数据，对其识别预先在（N）层实体间进行，亦即，它表示逻辑数据单元由服务进行传送。CAN协议的数据链层既不提供分配一个SDU至多个PDU,也不提供分配多个SDU至一个PDU的方法，亦即，NPDU直接由相应的NSDU和层指定控制信息N-PCI构成。
　　三、CAN总线的原理介绍
　　当CAN总线上的一个节点（站）发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时， 转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。
　　由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。
　　四、CAN总线的特点
　　CAN具有十分优越的特点，使人们乐于选择。这些优越的特点包括：
　　（1）它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信。
　　（2）网络各节点之间的数据通信实时性强。CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。
　　（3）通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mb/s.
　　（4）CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层作用，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等项工作。
　　（5）CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，雨代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种数据块编码方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分步式控制中非常重要。
　　（6）数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而倮证了通信的实时性。
　　（7）CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理作用，保证了数据通信的可靠性。CAN总线所具有的卓越性能、极高的可靠性和独特设计，特别适合工业设各测控单元互连。因此备受工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。