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作者：Xiaomin 概述 CAN（Controller Area Network）总线协议是由 BOSCH 发明的一种基于消息广播模式的串行通信总线，它起初用于实现汽车内ECU之间可靠的通信，后因其简单实用可靠等特点，而广泛应用于工业自动化、船舶、医疗等其它领域。 相比于其它网络类型，如局域网（LAN, Local Area Network）、广域网（WAN, Wide Area Network）和个人网（PAN, Personal Area Network）等，CAN 更加适合应用于现场控制领域，因此得名。 CAN总线是一种多主控（Multi-Master）的总线系统，它不同于USB或以太网等传统总线系统是在总线控制器的协调下，实现A节点到B节点大量数据的传输，CAN网络的消息是广播式的，亦即在同一时刻网络上所有节点侦测的数据是一致的，因此比较适合传输诸如控制、温度、转速等短消息。 CAN起初由BOSCH提出，后经ISO组织确认为国际标准，根据特性差异又分不同子标准。CAN国际标准只涉及到 OSI （开放式通信系统参考模型 ）的物理层和数据链路层。上层协议是在CAN标准基础上定义的应用层，市场上有不同的应用层标准。 
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发展历史
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标准化
CAN标准分为底层标准（物理层和数据链路层）和上层标准（应用层）两大类。CAN底层标准主要是 ISO 11898 系列的国际标准，也就是说不同厂商在CAN总线的物理层和数据链路层定义基本相同；而上层标准，涉及到例如流控制、设备寻址和大数据块传输控制等，不同应用领域或制造商会有不同的做法，没有统一的国际标准。 底层标准 CAN底层标准涵盖OSI模型中的物理层和数据链路层，底层标准包括：
CAN总线底层标准与ISO/OSI模型的对应关系，如图1所示。对于媒体专用接口（Medium Dependent Interface, MDI），没有统一的国际标准。CiA DS-102 （CiA: CAN in Automation ）仅定义使用专用连接器（DB9），并对PIN定义作出一定规范。 图1. CAN总线标准 上层标准 虽然底层标准相同，不同应用领域和组织会制定不同的上层标准。有的厂商开发并推广其应用层标准，在某些领域得以广泛应用。对于汽车行业来说，几乎每家厂商都有自己的CAN上层标准。比较流行的有工业自动化领域 CiA 的 CANopen ，Rockwell的 DeviceNet；嵌入式控制领域 Kvaser 的 CAN Kingdom；智能设备控制 Honeywell 的 SDS；汽车诊断 ISO 14229 定义的 UDS，和中重型汽车CAN总线标准 SAE J1939 。如表1示。 表1. CAN上层标准举例 总线特点
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应用
在当今汽车应用领域，车内电控单元（Electrical Control Unit, ECU）可能多达 70 个，除了引擎控制单元（Engine Control Unit, ECU ）外，还存在传动控制、安全气囊、ABS、巡航控制、EPS、音响系统、门窗控制和电池管理等模块，虽然某些模块是单一的子系统，但是模块之间的互连依然非常重要。例如，有的子系统需要控制执行器和接收传感器反馈，CAN总线可以满足这些子系统数据传输的需求。汽车内子模块的总线互连架构使得软件可以更轻易地实现安全、经济和便利等新特性，相比传统汽车网络架构中模块单元直接连接更加经济。 CAN总线实现汽车内互连系统由传统的点对点互连向总线式系统的进化，大大降低汽车内电子系统布线的复杂度，如图2所示。 背景：随着电气化和智能化，汽车上的电子单元越来越多，电控单元组网需求也日渐迫切！ 福特Fusion汽车 @2013 -70个ECU单元 -75个传感器 -150个激励器 自动驾驶汽车 @2030 -Prediction -120个ECU单元 -100个传感器 -200个激励器 图2. 传统网络结构 VS 总线式结构 在 VW 的定义（SSP 269）中，根据应用范围将车内CAN总线分为三类：
根据数据传输速度不同CAN总线分两类：高速CAN（ISO 11898-2）和低速CAN（ISO 11898-3）。 高速CAN（按BOSCH说法，也叫CAN-C），数据速率在 125kbps ~ 1Mbps，应用在实时性要求高的节点，如引擎管理单元、电子传动控制、ESP和仪表盘等；低速CAN（CAN-B），数据速率在 5kbps ~ 125kbps，应用在实时性要求低的节点，主要在舒适和娱乐领域，如空调控制、座椅调节、灯光、视镜调整等，这些节点对实时性要求不高，而且分布较为分散，线缆较易收到损坏，低速CAN的传输速度即可满足要求，而且单根线缆也可以工作，很好地适应了以上需求。不同速度类型的CAN总线设备不能直接连在同一路总线上，它们之间需要通过网关隔离。 CAN总线在汽车诊断领域的应用也非常广泛，ECU直接挂载在总线上，可以很快地获取诊断所需的信息。传统的汽车诊断接口（如KWP2000）应用逐渐减少。 |
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局限性
电路基础 硬件拓扑 连接在CAN总线上的设备叫做节点设备（CAN Node），CAN网络的拓扑一般为线型。线束最常用为非屏蔽双绞线（UTP），线上传输为对称的电平信号（差分）。图3示为CAN总线网络示意图，节点主要包括Host、控制器和收发器三部分。Host常集成有CAN控制器，CAN控制器负责处理协议相关功能，以减轻Host的负担。CAN收发器将控制器连接到传输媒介。通常控制器和总线收发器通过光耦或磁耦隔离，这样即使总线上过压，损坏收发器，控制器和Host设备也可以得到保护。 图3. CAN总线节点示意图 高速CAN总线最高信号传输速率为1Mbps，支持最长距离 40m。ISO 11898-2 规定要求在高速CAN总线的两端安装端接电阻（RL）以消除反射，而低速CAN最高速度只有 125Kbps，因此 ISO 11898-3 没有要求端接。ISO 11898 规定的CAN总线上最多 32 个节点。实际应用中要考虑到CAN总线收发器的性能，以及工作的CAN网络是高速CAN还是低速CAN。在传输距离方面，由于距离越大，信号时延也越大，为确保消息的正确采样，总线上的信号速率相应也得下降，表2列出推荐的信号速率与距离的关系。 表2. CAN总线长度与信号速率关系（推荐） 收发器 CAN收发器包括 CANH 和 CANL 两根信号，CANH和CANL信号采用差分电平，这样可以取得更好的电磁兼容效果。CAN总线物理传输媒介只需要两根线。 前面的标准部分有介绍，CAN总线分高速CAN和低速CAN，收发器因之也分为高速CAN收发器（1Mbps）和低速CAN收发器（125Kbps）。低速CAN也叫 Fault Tolerant CAN ，指的是即使总线上一根线失效，总线依然可以通信。图4示例高速CAN收发器的基本电路结构。当两个晶体管都关断时，CANH和CANL上电压相同，且都为 0.5*VCC ；而当两个晶体管都打开时，CANH 和 CANL 上即存在一定的压差，且压差与负载电阻值相关。ISO 11898-2 要求此时 CANH 和 CANL 压差在 2V 左右。 CAN收发器的特性包括非常低的电磁辐射和很强的抗击共模噪声的能力。另外，CAN收发器可以提供高达 8KV 的ESD保护，在电路设计中可以在收发器附近增加共模电感以进一步降低电磁辐射（图5）。 图4. CAN总线收发器（MCP2551） 图5. 共模电感降低辐射 信号电平 高速CAN和低速CAN总线在物理层信号电平上定义有所不同。图6和图7表示高速和低速CAN总线上信号电平与总线逻辑的对应关系。 高速CAN，定义 CANH 和 CANL 电压相同（CANH = CANL = 2.5V）时为逻辑“1”，CANH和CANL 电压相差 2V（CANH = 3.5V, CANL = 1.5V）时为逻辑“0”。高速CAN收发器在共模电压范围内（-12V ~ 12V），将CANH和CANL电压相差大于 0.9V 解释为显性状态（Dominant），而将CANH和CANL电压相差小于 0.5V 解释为为隐性状态（Recessive）。收发器内部有迟滞电路可以降低干扰。 低速CAN，定义CANH和CANL电压相差 5V （CANH = 0V, CANL = 5V）时为逻辑“1”，相差 2.2V （CANH = 3.6V, CANL = 1.4V）时为逻辑“0”。 在CAN总线上，逻辑“0”和“1”之间显著的电压差是总线可靠通信的保证。参照上面的描述，CAN总线上两种电平状态分别为：
CAN总线的信号电平具有线与特性，即显性电平（0）总是会掩盖隐性电平（1）。如果不同节点同时发送显性和隐性电平，总线上表现出显性电平（0），只有在总线上所有节点发送的都是隐性电平（1）时，总线才表现为隐性。线与特性是CAN总线仲裁的电路基础。详细仲裁过程见下文“仲裁机制”部分。 图6. 高速CAN信号电平（ ISO 11898-2） 图7. 低速CAN信号电平（ ISO 11898-3） 连接器 在前文有提到，业界只规定了9 Pin D-Sub 类型的CAN总线连接器，其信号定义如图8所示。 图8. CAN 9 Pin D-Sub引脚定义 三种CAN标准物理层比较 除了上文介绍的高速CAN和低速CAN外，还有标准定义另外一种CAN物理层结构，即 Single Wire CAN。单线CAN可以减少一根传输线，但是要求节点间有良好的共地特性（相当于第二根信号线）。单线CAN的信号抗干扰能力相对较弱，在设计中需要提高信号幅度以增加信噪比，如此又会让它自身的辐射能力增加，因此必须降低其信号传输速率以达到电磁兼容的要求。综上，单线CAN仅适合应用在低速的车身电子单元、舒适及娱乐控制领域。低速CAN总线由于信号速度不高，在一根信号线失灵的情况下，仍可工作于单线模式。 三种CAN总线物理层的对比如表3列出。总线连接拓扑图如图9，对于端接，高速CAN端接是在总线两端，而低速CAN和单线CAN的端接都是在各节点位置。 表3. 三种CAN物理层标准比较 图9. 三种CAN总线物理层的比较 通信原理 Multi-Master 安全敏感的应用，比如汽车动力，对通信系统的可靠性要求很高。将总线工作正常与否归结到单一节点是极其危险的，比较合理的方案是对总线接入的去中心化，亦即每个节点都有接入总线的能力。这也是CAN总线采用多主控（Multi-Master）线性拓扑结构的原因。在CAN总线上，每个节点都有往总线上发送消息的能力，而且消息的发送不必遵从任何预先设定的时序，通信是事件驱动的。只有当有新的信息传递时，CAN总线才处于忙的状态，这使得节点接入总线速度非常快。CAN总线理论最高数据传输速率为1Mbps，对于异步事件反应迅速，基本上对于毫秒级的实时应用没有任何问题。 寻址机制 不同于其它类型的总线，CAN总线不设定节点的地址，而是通过消息的标识符（Identifier）来区别消息。CAN总线消息是广播式的，也就是说在同一时刻所有节点都检测到同样的电平信号。接受节点通过识别消息中的标识符，与该节点预设的过滤规则对比，如果满足规则就接收这条消息，发送应答，否则就忽略这条消息，关于这部分介绍见下文“条件接收”部分。这种机制虽然会增加消息帧的复杂度（增加标识符），但是节点在此情况下可以无须了解其它节点的状况，而相互间独立工作，在总线上增加节点时仅须关注消息类型，而非系统上其它节点的状况。这种以消息标识符寻址的方式，让在总线上增加节点变得更加灵活。 CSMA/CD+AMP CAN总线通信原理可简单描述为多路载波侦听+基于消息优先级的冲突检测和仲裁机制（CSMA/CD+AMP），CSMA（Carrier Sense Multiple Access ）指的所有节点必须都等到总线处于空闲状态时才能往总线上发送消息；CD+AMP（Collision Detection + Arbitration on Message Priority）指的是如果多个节点往总线上发送消息时，具备最高优先级（标识符最小）的消息获得总线占有权。 帧分类 CAN总线定义四种帧类型，分别为数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。数据帧就是总线上传输用户数据的帧，其最高有效载荷是 8 Byte，除了有效载荷外，数据帧还包括必要的帧头帧位部分以执行CAN标准通信，比如消息标识符（Identifier）、数据长度代码、校验信息等。远程帧是用来向总线上其它节点请求数据的帧，它的帧结构与数据帧相似，只不过没有有效载荷部分；错误帧是表示通信出错的帧。数据帧和远程帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有 11 位的标识符 ， 扩展格式有 29 位标识符。 各种帧的用途分别为：
数据帧 数据帧的帧结构如图10所示，图中示例标准数据帧（Standard）和扩展数据帧（Extended）两种格式。各字段定义及长度分别为：
图10. CAN标准格式和扩展格式的数据帧/远程帧格式 远程帧 一般地，数据是由发送单元主动向总线上发送的，但也存在接收单元主动向发送单元请求数据的情况。远程帧的作用就在于此，它是接收单元向发送单元请求发送数据的帧。远程帧与数据帧的帧结构类似，如上图X所示。远程帧与数据帧的帧结构区别有两点：
远程帧的 DLC 块表示请求发送单元发送的数据长度（Byte）。当总线上具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时，由于数据帧的 RTR 位是显性的，数据帧将在仲裁中赢得总线控制权。 错误帧 用于在接收和发送消息时检测出错误通知错误的帧。错误帧由错误标志和错误界定符构成。错误帧的帧结构如图11示。
图11. 错误帧的帧结构 过载帧 过载帧是用于接收单元通知发送单元它尚未完成接收准备的帧。在两种情况下，节点会发送过载帧：
每个节点最多连续发送两条过载帧。过载帧由过载标志和过载界定符（8 个隐性位）构成。数据帧的帧结构如图12所示。 图12. 过载帧的帧结构 |
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仲裁机制
如果多个节点同时往总线上发送消息，总线的使用权是通过消息帧标识符的逐位仲裁机制决定的，在仲裁过程中消息是不会丢失的。这里的不会丢失的意思是指仲裁完成后，获得总线控制权的消息内容没有被仲裁过程篡改，将继续在总线上发送没有传输完的消息。 在CAN总线上，标识符值越小，消息的优先级越高。标识符全零的消息，由于它将总线电平保持在显性的时间最长，因此优先级最高。CAN总线的仲裁机制如图13所示，几点说明：
图13. CAN总线仲裁机制 如上介绍，CAN总线上的逐位仲裁机制与 I2C 总线的仲裁都应用到线与逻辑的电路基础，不同的是I2C的仲裁只是在主机间进行，而CAN总线没有主从机的概念。另外I2C的消息本身是不分优先级的；CAN消息则是带优先级，有的消息出身高贵（标识符值越小），在仲裁中总会取胜。 为消息划分优先级比较适合于实时控制系统，这样可以确保重要的信息优先发送，相对次要的消息延迟发送，系统设计师应该根据应用的特点为不同消息确定不同的优先级（标识符），在类似 DeviceNet 这些规范组织的定义中，对于同样类型的消息，比如温度传感器，即使它们可能来自不同的供应商，但消息标识符是一致的。 对于车身控制CAN网络（舒适+信息娱乐），其特点是消息标识符种类多，而且消息发送没有固定频率或规律，在此类应用的CAN控制器，例如 Freescale 的 MSCAN（Motorola Scalable Controller Area Network）的设计中，控制器内部包括 FIFO 寄存器，它将具有相同标识符的消息按顺序保存，从而避免接收缓冲器溢出。而对于动力系统控制的CAN网络，总线上的消息特点是速度快，但是存在一定规律，此类应用的CAN控制器，例如 Freescale 的 FlexCAN（CAN 2.0B-Compliant），它包括 16 ~ 64 个称为“mailbox”的接收缓冲器，运行时根据特定的过滤规则，将不同标识符的消息送到各自对应的 mailbox 。 条件接收 前面有提到消息在CAN总线上是广播式的，但并不是所有节点都会对总线上所有消息感兴趣。节点通过控制器中过滤码（Filter Code ）和掩码（Mask Code），再检验总线上消息的标识符，来判断是否接收该消息（Message Filtering）。 对于掩码，“1”表示该位与本节点相关，“0”表示该位与本节点不相关。举例如下： 例1：仅接收消息标识符为00001567（十六进制）的帧
例2：接收消息标识符为00001567 到 0000156F 的帧
例3：接收消息标识符为00001560 到 00001567 的帧
例4：接收所有消息帧帧
应答机制 应答位（ACK）用来表示节点已经收到有效的帧。任何节点如果准确无误地接收到帧，则要向总线上发送显性位，该显性位将掩盖发送节点输出的隐性位，使总线上表现为显性。如果发送节点检测应答位为隐性，那么说明没有节点收到有效帧。接收节点可能在应答位输出隐性表示它没有收到有效帧，但另外有收到有效帧的节点也可能输出显性表示它收到有效帧，这样总线上总体上表现为显性，发送节点也无从得知是否总线上所有节点都收到有效的帧。 位填充 CAN总线使用到的是非归零编码（NRZ），NRZ编码的优点是效率高，但却不易区分哪里是bit开始，哪里是bit结束。因此为确保在同步通信过程中有足够的电平跳变，规范中应用到位填充机制，即在每连续 5 个相同电平后插入 1 个反相电平，接收节点在收到消息后自动将填充位删除。在帧内除了CRC界定符、ACK域和EOF外，其余部分均应用到位填充机制。在应用到位填充的域，检测到连续 6 个显性位或隐性位均视为报错。检测到错误后，节点将发出主动错误标志。注意如前文述，主动错误标志为连续6个显性位，它是不符合位填充规则的，因此检测到该电平的所有节点都会报错。 位填充意味着实际传输的数据帧长度可能更长，图14示例位填充前后的数据帧的变化，紫色位是位填充增加的位，接收节点收到消息后会自动删除这些位。 图14. 数据帧在位填充前后的比较 错误检验 完善的错误校验机制是CAN总线高可靠性的有效保证。CAN总线包括 5 种错误校验机制，其中 3 种在消息层面（Message Level），2 种在比特层面（Bit Level） 。如果消息出现五种错误中的任何一种，接收节点将不接收消息，并且产生错误帧通知发送节点重新发送消息，直到接收节点正确地收到消息。如果失效的节点持续不断地报错，导致总线挂死，那么在报错次数达到设定的上限时，它将被控制器从总线上移除（详见“故障限制”部分）。 消息层面的错误校验机制体现在数据帧（图10）中的 CRC 校验域和 ACK 域。CRC校验域包括传输数据的 15 bit Checksum值和 1 bit 界定符。ACK域包括 1 bit ACK位和 1 bit 界定符。消息层面的校验还包括格式错误校验，格式错误校验会检查消息帧中必须为隐性的位，如果这些位表现为显性，那么节点将报格式错误。格式错误检查的隐性位包括SOF、EOF、ACK界定符和CRC界定符。 在比特层面，发送节点在发送消息的同时会检测总线电平，如果检测到总线的状态和它发送的状态不符，则发送节点将报错。该过程的两处例外是消息帧处于标识符仲裁阶段和消息应答阶段。 最后一种错误校验机制源于CAN总线的位填充机制。除了错误标志和EOF，如果节点检测到连续 6 个相同电平，它即报填充错误。主动错误标志包括连续6个显性位，总线上所有检测到主动错误标志的节点都会报错，而产生各自的错误帧，这意味着总线上的错误帧可能由原先的 6 bit 到反馈叠加至 12 bit 不等。错误帧后面紧接着8个隐性位界定符（如图10）。在总线空闲时，消息通过竞争仲裁获得总线占用权后将重新传送。 综上，CAN总线的错误类型包括以下五种：
在发送消息时，发送节点会根据特定的多项式计算出由数据帧SOF位到数据域最末位的Checksum值，并将该值放在数据帧的CRC域，随着数据帧广播到总线上。接收节点在收到数据后，应用同样的多项式计算Checksum值，并与收到的Checksum值对比。如果两者一致，正常接收；如果不一致，则舍弃该消息，并发送错误帧请求发送节点重传消息。CRC校验过程如图15所示。 CAN 2.0 规范定义CRC校验应用的多项式为： 图15. CRC校验机制
故障限制 CAN总线上的每个节点控制器都会检测消息是否出错，如果节点发现消息出错，它将发送错误标志，从而打断总线上正常的数据传输。总线上其它没有发现原始消息错误的节点，在收到错误标志后将采取必要的措施，比如舍弃当前总线上的消息。CAN节点内部有两种错误状态计数器 TEC 和 REC 。节点通过特定的规则管理这两个计数器的值，其中：
TEC 增加的速度快于 REC 增加的速度，这是因为有很大概率地是发送节点，而不是接受节点出错！基于 TEC 和 REC 数值的变化，CAN规范定义了节点的 3 种基本错误状态：
节点的三种错误状态切换关系如图16所示。 图16. CAN总线节点错误状态切换图 波形举例 图17示例CAN通信过程信号波形。在 1 时刻，节点A向总线上发送消息；在 2 时刻，节点B和C收到消息，发送响应应答；在 3 时刻，节点B和C同时向总线上发送消息，竞争仲裁后节点C获得总线占用权，在 4 时刻继续发送未传输完毕的数据；节点A和B在 5时刻响应C发送的消息；在总线空闲的 6 时刻，B发送消息到总线上；在 7 时刻节点A和B响应节点B发送的消息；在 8 时刻，节点A向空闲总线上发送消息。 图17. CAN通信过程举例 参考资料
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