CAN总线技术的应用与发展

权的站都成为具有最高优先权报文的接收站，并且不会在总线再次空闲前发送报文。
　　CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用，这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。这种方法在网络负载较重时有很多优点，因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了，这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。
　　对于主站的可靠性，由于CAN协议执行非集中化总线控制，所有主要通信，包括总线读取 （许可）控制，在系统中分几次完成。这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法。
　　3.2 CAN的通信方案
　　有两种重要的总线分配方法：按时间表分配和按需要分配。在第一种方法中 ，不管每个节点是否申请总线，都对每个节点按最大期间分配。由此，总线可被分配给每个站并且是唯一的站，而不论其是立即进行总线存取或在一个特定时间进行总线存取。这将保证在总线存取时有明确的总线分配。在第二种方法中，总线按传送数据的基本要求分配给一个站 ，总线系统按站希望的传送分配（如：Ethernet CSMA/CD）。因此，当多个站同时请求总线存取时，总线将终止所有站的请求，这时将不会有任何一个站获得总线分配。为了分配总线，多于一个总线存取是必要的。　　CAN实现总线分配的方法，可保证当不同的站申请总线存取时，明确地进行总线分配。这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。不同于Ethernet网络的消息仲裁，CAN的非破坏性解决总线存取冲突的方法，确保在不传送有用消息时总线不被占用。甚至当总线在重负载情况下，以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统。虽然总线的传输能力不足，所有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理。在CSMA/CD这样的网络中，如Ethernet，系统往往由于过载而崩溃，而这种情况在CAN中不会发生。
　　3.3 CAN的报文格式
　　在总线中传送的报文，每帧由7部分组成。CAN协议支持两种报文格式，其唯一的不同是标识符（ID）长度不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。
　　在标准格式中，报文的起始位称为帧起始（SOF），然后是由11位标识符和远程发送请求位 （RTR）组成的仲裁场。RTR位标明是数据帧还是请求帧，在请求帧中没有数据字节。
　　控制场包括标识符扩展位（IDE），指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一个保留位 （r0），为将来扩展使用。它的最后四个字节用来指明数据场中数据的长度（DLC）。数据场范围为0～8个字节，其后有一个检测数据错误的循环冗余检查（CRC）。
　　应答场（ACK）包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平（逻辑1），这时正确接收报文的接收站发送主控电平（逻辑0）覆盖它。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。
　　报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位，如果这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状态。
　　3.4 数据错误检测
　　不同于其它总线，CAN协议不能使用应答信息。事实上，它可以将发生的任何错误用信号发出。CAN协议可使用五种检查错误的方法，其中前三种为基于报文内容检查。
　　3.4.1 循环冗余检查（CRC）
　　在一帧报文中加入冗余检查位可保证报文正确。接收站通过CRC可判断报文是否有错。
　　3.4.2 帧检查
　　这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性，用于检查格式上的错误。
　　3.4.3 应答错误
　　如前所述，被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认。如果发送站未收到应答，那么表明接收站发现帧中有错误，也就是说，ACK场已损坏或网络中的报文无站接收。CAN协议也可通过位检查的方法探测错误。
　　3.4.4 总线检测
　　有时，CAN中的一个节点可监测自己发出的信号。因此，发送报文的站可以观测总线电平并探测发送位和接收位的差异。
　　3.4.5 位填充
　　一帧报文中的每一位都由不归零码表示，可保证位编码的最大效率。然而，如果在一帧报文中有太多相同电平的位，就有可能失去同步。为保证同步，同步沿用位填充产生。在五个连续相等位后，发送站自动插入一个与之互补的补码位；接收时，这个填充位被自动丢掉。例如，五个连续的低电平位后，CAN自动插入一个高电平位。CAN通过这种编码规则检查错误，如果在一帧报文中有6个相同位，CAN就知道发生了错误。
　　如果至少有一个站通过以上方法探测到一个或多个错误，它将发送出错标志终止当前的发送。这可以阻止其它站接收错误的报文，并保证网络上报文的一致性。当大量发送数据被终止后，发送站会自动地重新发送数据。作为规则，在探测到错误后23个位周期内重新开始发送。在特殊场合，系统的恢复时间为31个位周期。
　　但这种方法存在一个问题，即一个发生错误的站将导致所有数据被终止，其中也包括正确的数据。因此，如果不采取自监测措施，总线系统应采用模块化设计。为此，CAN协议提供一种将偶然错误从永久错误和局部站点失败中区别出来的办法。这种方法可以通过对出错站点统计评估来确定一个站点本身的错误并进入一种不会对其它站产生不良影响的运行方法来实现，即站点可以通过关闭自己来阻止正常数据因被错误地当成不正确的数据而被终止。
　　3.4.6 CAN可靠性
　　为防止汽车在使用寿命期内由于数据交换错误而对司机造成危险，汽车的安全系统要求数据传输具有较高的安全性。如果数据传输的可靠性足够高，或者残留下来的数据错误足够低的话，这一目标不难实现。从总线系统数据的角度看，可靠性可以理解为，对传输过程产生的数据错误的识别能力。
　　残余数据错误的概率可以通过对数据传输可靠性的统计测量获得。它描述了传送数据被破坏和这种破坏不能被探测出来的概率。残余数据错误概率必须非常小，使其在系统整个寿命周期内，按平均统计时几乎检测不到。计算残余错误概率要求能够对数据错误进行分类 ，并且数据传输路径可由一模型描述。如果要确定CAN的残余错误概率，我们可将残留错误的概率作为具有80～90位的报文传送时位错误概率的函数，并假定这个系统中有5～10个站，并且错误率为1/1000，那么最大位错误概率为10-13数量级。例如，CAN网络的数据传输率最大为1Mbps，如果数据传输能力仅使用50%，那么对于一个工作寿命4000小时、平均报文长度为 80位的系统，所传送的数据总量为9×1010。在系统运行寿命期内，不可检测的传输错误的统计平均小于10-2量级。换句话说，一个系统按每年365天，每天工作8小时，每秒错误率为0. 7计算，那么按统计平均，每1000年才会发生一个不可检测的错误。
　　CAN 即控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商，BENZ（奔驰）、BMW（宝马）、PORSCHE（保时捷）、ROLLS-ROYCE（劳斯莱斯）和JAGUAR（美洲豹）等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于CAN总线本身的特点，其应用范围已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程控制工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及