什么是CAN總線,CAN總線的優勢和特點
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CAN與其它通信方案的比較
在實踐中,有兩種重要的總線分配方法:按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中 ,不管每個節點是否申請總線,都對每個節點按最大期間分配。由此,總線可被分配給每個站并且是唯一的站,而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。這將保證在總線存取時有明確的總線分配。在第二種方法中,總線按傳送數據的基本要求分配給一個站 ,總線系統按站希望的傳送分配(如:Ethernet CSMA/CD)。因此,當多個站同時請求總線存取時,總線將終止所有站的請求,這時將不會有任何一個站獲得總線分配。為了分配總線,多于一個總線存取是必要的。
CAN的報文格式
在總線中傳送的報文,每幀由7部分組成。CAN協議支持兩種報文格式,其唯一的不同是標識符(ID)長度不同,標準格式為11位,擴展格式為29位。
在標準格式中,報文的起始位稱為幀起始(SOF),然后是由11位標識符和遠程發送請求位 (RTR)組成的仲裁場。RTR位標明是數據幀還是請求幀,在請求幀中沒有數據字節。
控制場包括標識符擴展位(IDE),指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro),為將來擴展使用。它的最后四個字節用來指明數據場中數據的長度(DLC)。數據場范圍為0～8個字節,其后有一個檢測數據錯誤的循環冗余檢查(CRC)。 應答場(ACK)包括應答位和應答分隔符。發送站發送的這兩位均為隱性電平(邏輯1),這時正確接收報文的接收站發送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法,發送站可以保證網絡中至少有一個站能正確接收到報文。
報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位,如果這時沒有站進行總線存取,總線將處于空閑狀態。
CAN數據幀的組成
遠程幀
遠程幀由6個場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應答場和幀結束。遠程幀不存在數據場。 遠程幀的RTR位必須是隱位。 DLC的數據值是獨立的，它可以是0～8中的任何數值，為對應數據幀的數據長度。 出錯幀 出錯幀由兩個不同場組成，第一個場由來自各站的錯誤標志疊加得到，第二個場是出錯界定符 錯誤標志具有兩種形式： 活動錯誤標志(Active error flag)，由6個連續的顯位組成 認可錯誤標志(Passive error flag)，由6個連續的隱位組成 出錯界定符包括8個隱位 超載幀 超載幀包括兩個位場：超載標志和超載界定符 發送超載幀的超載條件： 要求延遲下一個數據幀或遠程幀 在間歇場檢測到顯位 超載標志由6個顯位組成 超載界定符由8個隱位組成
數據錯誤檢測
不同于其它總線,CAN協議不能使用應答信息。事實上,它可以將發生的任何錯誤用信號發出。CAN協議可使用五種檢查錯誤的方法,其中前三種為基于報文內容檢查。
3.4.1 循環冗余檢查(CRC)
在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。
3.4.2 幀檢查
這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性,用于檢查格式上的錯誤。
3.4.3.應答錯誤
如前所述,被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發送站未收到應答,那么表明接收站發現幀中有錯誤,也就是說,ACK場已損壞或網絡中的報文無站接收。CAN協議也可通過位檢查的方法探測錯誤。
3.4.4 總線檢測
有時,CAN中的一個節點可監測自己發出的信號。因此,發送報文的站可以觀測總線電平并探測發送位和接收位的差異。
3.4.5 位填充
一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示,可保證位編碼的最大效率。然而,如果在一幀報文中有太多相同電平的位,就有可能失去同步。為保證同步,同步沿用位填充產生。在五個生。在五個連續相等位后,發送站自動插入一個與之互補的補碼位;接收時,這個填充位被自動丟掉。例如,五個連續的低電平位后,CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6個相同位,CAN就知道發生了錯誤。
如果至少有一個站通過以上方法探測到 一個或多個錯誤,它將發送出錯標志終止當前的發送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文,并保證網絡上報文的一致性。當大量發送數據被終止后,發送站會自動地重新發送數據。作為規則,在探測到錯誤后23個位周期內重新開始發送。在特殊場合,系統的恢復時間為31個位周期。
但這種方法存在一個問題,即一個發生錯誤的站將導致所有數據被終止,其中也包括正確的數據。因此,如果不采取自監測措施,總線系統應采用模塊化設計。為此,CAN協議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統計評估來確定一個站本身的錯誤并進入一種不會對其它站產生不良影響的運行方法來實現,即站可以通過關閉自己來阻止正常數據因被錯誤地當成不正確的數據而被終止。
CAN總線可靠性：
為防止汽車在使用壽命期內由于數據交換錯誤而對司機造成危險,汽車的安全系統要求數據傳輸具有較高的安全性。如果數據傳輸的可靠性足夠高,或者殘留下來的數據錯誤足夠低的話,這一目標不難實現。從總線系統數據的角度看,可靠性可以理解為,對傳輸過程產生的數據錯誤的識別能力。
殘余數據錯誤的概率可以通過對數據傳輸可靠性的統計測量獲得。它描述了傳送數據被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數據錯誤概率必須非常小,使其在系統整個壽命周期內,按平均統計時幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠對數據錯誤進行分類 ,并且數據傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘余錯誤概率,我們可將殘留錯誤的概率作為具有80～90位的報文傳送時位錯誤概率的函數,并假定這個系統中有5～10個站,并且錯誤率為1/1000,那么最大位錯誤概率為10—13數量級。例如,CAN網絡的數據傳輸率最大為1Mbps,如果數據傳輸能力僅使用50%,那么對于一個工作壽命4000小時、平均報文長度為 80位的系統,所傳送的數據總量為9×1010。在系統運行壽命期內,不可檢測的傳輸錯誤的統計平均小于10—2量級。換句話說,一個系統按每年365天,每天工作8小時,每秒錯誤率為0. 7計算,那么按統計平均,每1000年才會發生一個不可檢測的錯誤。
應用舉例：
CAN總線在工控領域主要使用低速-容錯CAN即ISO11898-3標準，在汽車領域使用125Kbps的高速CAN。
某進口車型擁有，車身、舒適、多媒體等多個控制網絡，其中車身控制使用CAN網絡，舒適使用LIN網絡，多媒體使用MOST網絡，以CAN網為主網，控制發動機、變速箱、ABS等車身安全模塊，并將轉速、車速、油溫等共享至全車，實現汽車智能化控制，如高速時自動鎖閉車門，安全氣囊彈出時，自動開啟車門等功能。
can系統又分為高速和低速，高速can系統采用硬線是動力型，速度：500kbps，控制ecu、abs等；低速can是舒適型，速度：125kbps，主要控制儀表、防盜等。
某醫院現有5臺16T/H德國菲斯曼燃氣鍋爐，向洗衣房、制劑室、供應室、生活用水、暖氣等設施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然氣1200萬m3,耗用20萬噸自來水。醫院采用接力式方式供熱，對熱網進行地域性管理，分四大供熱區。其中冬季暖氣的用氣量很大，據此設計了基于CAN現場總線的分布式鍋爐蒸汽熱網智能監控系統。現場應用表明：該樓宇自動化系統具有抗干擾能力強，現場組態容易，網絡化程度高，人機界面友好等特點。
CAN總線典型特征
CAN總線有如下基本特點
◎ 廢除傳統的站地址編碼，代之以對通信數據塊進行編碼，可以多主方式工作；
◎ 采用非破壞性仲裁技術，當兩個節點同時向網絡上傳送數據時，優先級低的節點主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響繼續傳輸數據，有效避免了總線沖突；
◎ 采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個，數據傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發送的時間短；
◎ 每幀數據都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數據傳輸的高可靠性，適于在高干擾環境下使用；
◎ 節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯系，以使總線上其他操作不受影響；
◎ 可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接受數據。
CAN總線的優點
● 具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優點；
● 采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環境中工作；
● 具有優先權和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN 控制器掛到CAN-bus 上，形成多主機局部網絡；
● 可根據報文的ID決定接收或屏蔽該報文；
● 可靠的錯誤處理和檢錯機制；
● 發送的信息遭到破壞后，可自動重發；
● 節點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能；
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