介紹
在汽車產(chǎn)業(yè)中庇勃，各種各樣的ECU被開發(fā)出來，來提高汽車的安全性槽驶、舒適性责嚷、方便性，同時(shí)滿足對(duì)低公害掂铐、低成本的要求罕拂。但各個(gè)電控系統(tǒng)對(duì)通信的數(shù)據(jù)類型揍异、時(shí)效性、可靠性要求不盡相同爆班。如果按照常規(guī)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布線方式衷掷，那么有多條總線構(gòu)成的情況很多，線束數(shù)量也隨之增加柿菩。
為了減少線束數(shù)量戚嗅，通過多個(gè)LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信的需要枢舶，1986年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN通信協(xié)議懦胞。并通過ISO11898 及ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。
現(xiàn)在凉泄，CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同躏尉，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶后众、醫(yī)療設(shè)備胀糜、工業(yè)設(shè)備等方面。被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)吼具。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)僚纷、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。
CAN總線是一種多主控的總線系統(tǒng)拗盒，在網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)怖竭，接入網(wǎng)絡(luò)的單元節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)兩個(gè)以上單元同時(shí)開始發(fā)送消息時(shí)陡蝇，根據(jù)標(biāo)識(shí)符（ID）決定優(yōu)先級(jí)痊臭。
CAN網(wǎng)絡(luò)的消息是廣播式的，同一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)上的所有單元節(jié)點(diǎn)讀取到的數(shù)據(jù)是相同的登夫，是一種基于消息廣播的串行通信總線广匙。
通信機(jī)制與特性
CAN總線標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的硬件控制層面包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，至于軟件應(yīng)用層需要用戶自定義恼策。
下面對(duì)核心的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行介紹鸦致。
CAN物理層
不同的CAN總線標(biāo)準(zhǔn)只在物理層有所不同。
CAN總線上連接了不同的設(shè)備（單元節(jié)點(diǎn)）涣楷，CAN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湟话銥榫€型分唾。線束最常用的是非屏蔽雙絞線，線上傳輸為對(duì)稱的差分電平信號(hào)狮斗。
如上圖绽乔，一個(gè)節(jié)點(diǎn)主要包括Host、控制器和收發(fā)器三部分碳褒。CAN收發(fā)器將控制器設(shè)備連接到總線上折砸。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)看疗，CAN控制器將要發(fā)送的二進(jìn)制編碼發(fā)送給CAN收發(fā)器，然后由收發(fā)器把這個(gè)普通的邏輯電平信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)睦授，通過差分線CAN_High和CAN_Low輸出到CAN總線網(wǎng)絡(luò)上两芳。接受數(shù)據(jù)時(shí)，正好相反去枷，CAN控制器根據(jù)兩根線上的電位差來判斷總線電平盗扇。因此CAN總線物理傳輸媒介只需要兩根線。
高速CAN總線最高信號(hào)傳輸速率為1Mbps沉填，支持最長距離40m疗隶。ISO11898-2要求在高速CAN總線兩段安裝端接電阻RL（端接電阻一般為120?，因?yàn)殡娎|的特性阻抗為120 ?翼闹，為了模擬無限遠(yuǎn)的傳輸線斑鼻。）以消除反射。低速CAN最高速度只有125Kbps猎荠，所以ISO11898-3沒有端接要求坚弱。
在傳輸距離方面，由于距離越遠(yuǎn)关摇，信號(hào)時(shí)延也越大荒叶，為了確保信息的正確采樣，總線上的信號(hào)速率也的下降输虱。下圖是推薦的信號(hào)速率與距離的關(guān)系些楣。
CAN總線通過兩個(gè)信號(hào)線進(jìn)行差分信號(hào)傳輸。邏輯0和邏輯1通過兩根線上的電壓差來表示宪睹。而高速CAN和低速CAN總線在物理層信號(hào)電平上定義有所不同愁茁。
在高速CAN中，定義兩根線電壓下相同（2.5V）時(shí)為邏輯0（顯性）亭病，當(dāng)兩電壓相差為2V（CAN_High = 3.5V, CAN_Low = 1.5V）時(shí)為邏輯1（隱性）鹅很。
低速CAN中，定義電壓差為5V（CAN_High = 0V, CAN_Low = 5V）時(shí)為邏輯1罪帖，電壓差為1.5V（CAN_High = 3.6V, CAN_Low = 1.4V）時(shí)為邏輯0促煮。
總線電平分為顯性電平和隱性電平，二者必居其一整袁。CAN總線的信號(hào)電平具有線與特性菠齿，既顯性電平（0）總是會(huì)掩蓋隱性電平（1）。如果不同節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送顯性和隱性電平葬项，總線上表現(xiàn)出顯性電平（0）泞当，只有在總線上所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送的都是隱性電平（1）時(shí)迹蛤，總線才表現(xiàn)為隱性民珍。
CAN數(shù)據(jù)鏈路層
只是用兩條信號(hào)線的CAN襟士，每次只能表達(dá)一個(gè)信號(hào)，簡潔的物理層決定了CAN必然要配上一套較為復(fù)雜的協(xié)議嚷量。
通信機(jī)制
多主機(jī)
對(duì)安全敏感的應(yīng)用（如汽車）對(duì)通信系統(tǒng)的可靠性要求很高陋桂。將整個(gè)總線的正常與否托付于單個(gè)節(jié)點(diǎn)是極其危險(xiǎn)的。比較合理的方法是對(duì)總線的接入去中心化蝶溶，是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有接入總線的能力嗜历。所以CAN總線采用多主控的線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
在總線上抖所，每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息不必遵循任何預(yù)先設(shè)定的時(shí)序梨州，通信是事件驅(qū)動(dòng)的。只有當(dāng)有新的信息傳遞時(shí)田轧，CAN總線才處于忙碌狀態(tài)暴匠。這使得節(jié)點(diǎn)接入總線速度非常快傻粘，對(duì)于異步事件反應(yīng)迅速每窖，基本上對(duì)于ms級(jí)別的實(shí)時(shí)應(yīng)用沒有任何問題。尋址機(jī)制
不同其他類型的總線弦悉，CAN總線不設(shè)定節(jié)點(diǎn)的地址窒典，而是通過消息的標(biāo)識(shí)符（ID）來區(qū)別消息。雖然這在消息中增加了標(biāo)識(shí)符稽莉，提高了復(fù)雜度瀑志。但這使得節(jié)點(diǎn)可以無需了解其他節(jié)點(diǎn)的狀況，而相互獨(dú)立工作污秆。在總線上增加節(jié)點(diǎn)只需關(guān)注消息類型后室，不需要關(guān)心其他節(jié)點(diǎn)的狀況，更加靈活混狠。CSMA/CD+AMP
CAN總線通信原理可以簡單描述為多路載波偵聽（CSMA）+仲裁機(jī)制（CD）和基于消息優(yōu)先級(jí)的沖突檢測（AMP）岸霹。
CSMA（CarrieSense Multiple Access）指的是所有節(jié)點(diǎn)必須都等到總線處于空閑狀態(tài)時(shí)才能往總線上發(fā)送消息。由于所有節(jié)點(diǎn)接在同一根總線上将饺，且以廣播的形式發(fā)送消息贡避。所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前都要檢測總線上是否已有數(shù)據(jù)傳輸。如果總線上有數(shù)據(jù)予弧，則暫時(shí)不發(fā)送數(shù)據(jù)刮吧，等待網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)再發(fā)。
CD+AMP（Collision Detection + Arbitration on Message Priority）指的是節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)掖蛤，要不停地檢測發(fā)送的數(shù)據(jù)是否與其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送沖突杀捻。當(dāng)出現(xiàn)沖突時(shí)，通過ID仲裁蚓庭，總線優(yōu)先保證發(fā)送ID更小的消息致讥。報(bào)文優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)退出仲裁后仅仆，在下次總線空閑時(shí)自動(dòng)重新發(fā)送報(bào)文。
- 報(bào)文接收過濾
由于CAN總線以廣播形式傳播消息垢袱，所以CAN總線上的所有節(jié)點(diǎn)都可以接受到CAN上的消息墓拜。但各控制器會(huì)根據(jù)其ID過濾報(bào)文的功能，直接收需要的報(bào)文请契。
CAN報(bào)文種類及結(jié)構(gòu)
CAN協(xié)議是通過以下5種類型的幀進(jìn)行的：
| 幀類型 | 幀用途 |
|---|---|
| 數(shù)據(jù)幀 | 用于發(fā)送單元向接收單元傳送數(shù)據(jù)的幀 |
| 遠(yuǎn)程幀 | 用于接收單元向具有相同 ID 的發(fā)送單元請求數(shù)據(jù)的幀 |
| 錯(cuò)誤幀 | 用于當(dāng)檢測出錯(cuò)誤時(shí)向其它單元通知錯(cuò)誤的幀 |
| 過載幀 | 用于接收單元通知其尚未做好接收準(zhǔn)備的幀 |
| 間隔幀 | 用于將數(shù)據(jù)幀及遙控幀與前面的幀分離開來的幀 |
1咳榜、數(shù)據(jù)幀
數(shù)據(jù)幀是CAN通信中最主要，也是最復(fù)雜的爽锥。數(shù)據(jù)幀以一個(gè)顯性位開始涌韩，以7個(gè)連續(xù)的隱性位結(jié)束。CAN總線的數(shù)據(jù)幀有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的區(qū)分氯夷。
各字段定義及長度分別為：
SOF：表示數(shù)據(jù)幀開始贸辈；（1 bit）
Identifier：標(biāo)準(zhǔn)格式11 bit，擴(kuò)展格式29 bit包括Base Identifier（11 bit）和Extended Identifier（18 bit）肠槽，該區(qū)段標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)擎淤，數(shù)值越小，優(yōu)先級(jí)越高秸仙；
RTR：遠(yuǎn)程傳輸請求位嘴拢，0時(shí)表示為數(shù)據(jù)幀，1表示為遠(yuǎn)程幀寂纪，也就是說RTR=1時(shí)席吴，消息幀的Data Field為空；（1 bit）
IDE： 標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位捞蛋，0時(shí)表示為標(biāo)準(zhǔn)格式孝冒，1表示為擴(kuò)展格式；（1 bit）
DLC：數(shù)據(jù)長度代碼拟杉，08表示數(shù)據(jù)長度為08 Byte庄涡；（4 bit）
Data Field：數(shù)據(jù)域；（0~8 Byte）
CRC Sequence：校驗(yàn)域搬设，校驗(yàn)算法G(x) = x15 + x14 + x10 + x8 + x7 + x4 + x3 + 1穴店；（15 bit）
DEL：校驗(yàn)域和應(yīng)答域的隱性界定符；（1 bit）
ACK：應(yīng)答拿穴，確認(rèn)數(shù)據(jù)是否正常接收泣洞，所謂正常接收是指不含填充錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤默色、 CRC 錯(cuò)誤球凰。發(fā)送節(jié)點(diǎn)將此位為1，接收節(jié)點(diǎn)正常接收數(shù)據(jù)后將此位置為0；（1 bit）
SRR：替代遠(yuǎn)程請求位呕诉，在擴(kuò)展格式中占位用缘厢，必須為1；（1 bit）
EOF：連續(xù)7個(gè)隱性位（1）表示幀結(jié)束义钉；（7 bit）
ITM：幀間空間，Intermission (ITM)规肴，又稱Interframe Space (IFS)捶闸，連續(xù)3個(gè)隱性位，但它不屬于數(shù)據(jù)幀拖刃。幀間空間是用于將數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀與前面的幀分離開來的幀删壮。數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀可通過插入幀間空間將本幀與前面的任何幀（數(shù)據(jù)幀、遙控幀兑牡、錯(cuò)誤幀央碟、過載幀）分開。過載幀和錯(cuò)誤幀前不能插入幀間空間均函。
2亿虽、遠(yuǎn)程幀
一般地，數(shù)據(jù)是由發(fā)送單元主動(dòng)向總線上發(fā)送的苞也。而遠(yuǎn)程幀的用于接收單元主動(dòng)向發(fā)送單元請求數(shù)據(jù)洛勉。
遠(yuǎn)程幀沒有數(shù)據(jù)塊Data Field。遠(yuǎn)程幀的 DLC 塊表示請求發(fā)送單元發(fā)送的數(shù)據(jù)長度（Byte）如迟。
遠(yuǎn)程幀的RTR值為1收毫。當(dāng)總線上具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時(shí)發(fā)送時(shí)，由于數(shù)據(jù)幀的 RTR 位是顯性的殷勘，數(shù)據(jù)幀將在仲裁中贏得總線控制權(quán)此再。
3、錯(cuò)誤幀
當(dāng)接受和發(fā)送消息的節(jié)點(diǎn)檢測出錯(cuò)誤時(shí)玲销，就發(fā)送錯(cuò)誤幀通知錯(cuò)誤输拇。由錯(cuò)誤標(biāo)志和錯(cuò)誤界定符構(gòu)成。錯(cuò)誤幀的幀結(jié)構(gòu)如下圖：
其中錯(cuò)誤標(biāo)志為6-12個(gè)顯性/隱性重疊位贤斜。處于主動(dòng)報(bào)錯(cuò)狀態(tài)的單元檢測出錯(cuò)誤時(shí)輸出主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志（6個(gè)顯性位）淳附；處于被動(dòng)認(rèn)錯(cuò)狀態(tài)的單元檢測出錯(cuò)誤時(shí)輸出被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志（6個(gè)隱性位）。
錯(cuò)誤界定符由8個(gè)“隱性”位構(gòu)成蠢古。
CAN總線的錯(cuò)誤類型包括以下五種：
- CRC錯(cuò)誤——校驗(yàn)錯(cuò)誤奴曙，接受單元重新計(jì)算CRC，與發(fā)送單元的CRC不一致草讶。
- ACK錯(cuò)誤——應(yīng)答錯(cuò)誤洽糟，發(fā)送單元在ACK為中檢測到隱性電平。
- FORM錯(cuò)誤——格式錯(cuò)誤，檢測出傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式與合法格式不符坤溃。
- 位錯(cuò)誤——發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送電平時(shí)發(fā)現(xiàn)總線電平與發(fā)送電平不一致的錯(cuò)誤拍霜。
- 填充錯(cuò)誤——在需要未填充的段內(nèi)，連續(xù)檢測到6為相同的電平薪介。（位填充的介紹見后文）
對(duì)錯(cuò)誤的處理祠饺，可參考這里。
此外為防止自身由于某些原因?qū)е聼o法正常接收的節(jié)點(diǎn)一直發(fā)送錯(cuò)誤幀汁政，干擾其他節(jié)點(diǎn)通信道偷。CAN總線提供了復(fù)位重啟等處理機(jī)制。
4记劈、過載幀
當(dāng)某個(gè)接收節(jié)點(diǎn)沒有做好接收下一幀數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備時(shí)勺鸦，將發(fā)送過載幀以通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)。在兩種情況下目木，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送過載幀：
- 接收單元條件的制約换途，要求發(fā)送節(jié)點(diǎn)延緩下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的傳輸；
- 幀間空間（Intermission）的 3 bit 內(nèi)檢測到顯性位
過載幀由過載標(biāo)志（6個(gè)顯性位）和過載幀界定符（8個(gè)隱性位）組成刽射。由于存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)過載且過載幀發(fā)送有時(shí)間差問題军拟，可能出現(xiàn)過載標(biāo)志疊加后超過6個(gè)位的現(xiàn)象。
位填充
CAN總線使用到的是非歸零編碼（NRZ）誓禁，NRZ編碼的優(yōu)點(diǎn)是效率高吻谋，但卻不易區(qū)分哪里是bit開始，哪里是bit結(jié)束现横。因此為確保在同步通信過程中有足夠的電平跳變漓拾，規(guī)范中應(yīng)用到位填充機(jī)制，即在每連續(xù) 5 個(gè)相同電平后插入 1個(gè)反相電平戒祠，接收節(jié)點(diǎn)在收到消息后自動(dòng)將填充位刪除骇两。
在幀內(nèi)除了CRC界定符、ACK域和EOF外姜盈，其余部分均應(yīng)用到位填充機(jī)制低千。在應(yīng)用到位填充的域，檢測到連續(xù) 6 個(gè)顯性位或隱性位均視為報(bào)錯(cuò)馏颂。
DBC
CAN協(xié)議定義了物理層及數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范示血，通過CAN總線，ECU之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信救拉。但建立更加完善的系統(tǒng)难审，還需要在CAN的基礎(chǔ)上選擇合適的應(yīng)用層，如CANopen亿絮、J1939等告喊。其中J1939即為DBC文件麸拄。
DBC（data base CAN）是汽車ECU見進(jìn)行CAN通信的報(bào)文內(nèi)容壶谒。規(guī)定了各種CAN信號(hào)的具體含義克锣。DBC是一個(gè)ASCII格式的文本文件，一般用CANdb++帶來猎物，方面查看和編輯秆吵。DBC解析過程就是將汽車CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖M(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成我們所熟悉的物理量淮椰，如車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速纳寂、燃油量等主穗。有了DBC，ECU之間才能互相聽懂烈疚，實(shí)現(xiàn)控制黔牵。根據(jù)DBC文件中規(guī)定的信息聪轿，也可以對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控爷肝，掌握整車狀態(tài)。
但DBC只涉及CAN網(wǎng)絡(luò)中的通信陆错，不涉及連接在CAN總線上的控制器設(shè)備內(nèi)部的功能邏輯灯抛。
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參考：
汽車CAN總線詳解
一口氣從零讀懂CAN總線
CAN總線_百度百科
CAN總線深入分析教程
