工业通信中CAN协议通信

2021-03-03 22:06
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概 述:

控制器局域网总线(CAN,Controller Area Network)是一种用于实时应用的串行通讯协议总线,它可以使用双绞线来传输信号,是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信,以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力

CAN通讯原理图

工作原理:

CAN总线使用串行数据传输方式,可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行,也可以使用光缆连接,而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。CAN与I2C总线的许多细节很类似,但也有一些明显的区别。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。它允许分布过程同步化,即总线上控制器需要测量数据时,可由网上获得,而无须每个控制器都有自己独立的传感器。

特点优点:

1、CAN协议(Conroller Area Network Protocol)为Robert Bosch公司开发(1982年),最初应用于汽车内部网络的通讯。CAN通讯具有严格的错误检测机制、高传输速率,兼低成本、易于实施,特别适合节点之间关键数据传输的小型嵌入式网络通讯;

2、CAN网络各节点平等竞争,无所谓主从,CAN通讯基于生产/消费者模型,一个节点生产(发送)的数据可同时为网络上的一个或几个节点同时消费也即接收(本人强烈鄙视某些教科书上将CAN网络描述为多主方式!!);

3、CAN协议严格的规范了OSI模型中的数据链路层,并未对物理层作出强硬的约束,因此,CAN帧msg可传输在各种物理介质上,比较常见的为双绞线信号传输;

4、CAN总线上的逻辑电平:CAN-bus采用差分电压信号驱动,用显性电平(逻辑0)、隐性电平(逻辑1)标识,当CAN-bus表现为显性时,CAN-bus为差分电压驱动状态,CANL电平为“Gnd”偏上,CANH电平为“Vcc”偏下;当CAN-bus表现为隐性状态时,CAN-bus为未驱动空闲状态,此时CANL、CANH电平均为“Vcc”的一半,比如:假设Gnd=0V,Vcc=5V,则CANH=CANL=2.5V。总线上的先行隐性电平会被显性电平所改写;

5、CAN-bus上的位流序列:仲裁场-CANID最高位最先发送;数据场-Data0最先发送,Data7最后传输,对应每一个字节,高位msb将会先发送;

6、位填充规则:位流序列中一旦出现五个连续的显性位将插入一个隐性位,如下图示;同时位流序列中一旦出现五个连续的隐性位将插入一个显性位。

(1)具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点;

(2)采用双线串行通信方式,检错能力强,可在高噪声干扰环境中工作;

(3)具有优先权和仲裁功能,多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus 上,形成多主机局部网络;

(4)可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文;

(5)可靠的错误处理和检错机制;

(6)发送的信息遭到破坏后,可自动重发;

(7)节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能;

(8)报文不包含源地址或目标地址,仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。


和Lin总线的区别:

LIN(Local Interconnect Network)是一种低成本的串行通讯网络,用于实现汽车中的分布式电子控制系统。LIN 的目标是为现有汽车网络(例如CAN 总线)提供辅助功能,因此LIN 总线是一种辅助的总线网络。在不需要CAN 总线的带宽和多功能的场合,比如智能传感器和制动装置之间的通讯使LIN 总线可大大节省成本。 CAN 是Controller Area Network 的缩写(以下称为CAN),是ISO国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中,出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求,各种各样的电子控制系统被开发了出来。

CAN通讯原理图

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。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,现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。 LIN总线有一个主节点,其他是从节点。从节点不能主动向主节点传输信息,只有主节点需要从节点才能发送信息;CAN总线没有主从之分,总线上得节点都可以在总线空闲时互相通信,如果两个节点同事发送信息,那么按报文优先级来分,优先级高的可以先发,优先级低的后法,优先级是由报文标识符确定的。从速率上说,CAN总线最高通信速率可达1Mbit/s(此时距离最长30米),LIN总线只有20Kbit/s左右。CAN总线输入、输出为差动信号,LIN总线输入、输出为+12V 单端非平衡信号。


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