【车载开发系列】CAN通信总线再理解(中篇)

【车载开发系列】CAN通信总线再理解(中篇)

    • 九. CAN总线标准
    • 十. CAN物理层
    • 十一. CAN数据链路层
      • 1)CAN的通信帧类型
      • 2)CAN的标准帧格式
        • 1. CAN ID
        • 2. 数据场
      • 3)CAN总线仲裁
    • 十二. CAN应用层
      • 1)CANopen
      • 2)J1939
      • 3)DeviceNet

九. CAN总线标准

  • CAN总线标准有两个,即ISO11898和ISO11519,两者差分电平特性不同。
  1. ISO11898高低电平幅度低(高电压3.5V,低电压1.5V),对应的传输速度快,所以适用于高速CAN;
  2. ISO11519高低电平幅度大(高电压4.0V,低电压1.0V),对应的传输速度慢些,所以适用于低速CAN;

十. CAN物理层

  1. 多个节点连接,只要有一个为低电平,总线就为低电平,只有所有节点输出高电平时,才为高电平。所谓"线与"。
  2. CAN总线有5个连续相同位后,就插入一个相反位,产生跳变沿,用于同步。从而消除累积误差。
  3. CAN的传输速度与距离成反比。
  4. CAN总线上的终端电阻是120Ω,因为电缆的特性阻抗为120Ω,为了模拟无限远的传输线

十一. CAN数据链路层

1)CAN的通信帧类型

  • CAN总线传输的是CAN帧,CAN的通信帧分成五种,分别为数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔。
帧类型英文帧作用
数据帧Data Frame用于发送单元向接收单元传送数据的帧,使用最多的帧类型
遥控帧Remote Frame用于接收单元向具有相同ID的发送单元请求数据的帧
错误帧Error Frame用于当检测出错时向其他单元通知用的错误的帧
过载帧Overload Frame用于接收单元告诉发送单元,通知其尚未做好接收准备的帧
间隔帧Inter Frame Space用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开来的帧

2)CAN的标准帧格式

位名位名位数说明
SOF起始位1位是一个显性电平逻辑0
Identifier(ID)仲裁段(识别码)11/29位用来确定数据信息发送给那个设备,每一个设备都有一个属于自己的识别码,11 位标识符的帧称为标准格式,而具有29位标识符的帧为扩展格式
RTR仲裁段(RTR位)1位用来区分数据帧(0)或者远程请求帧(1)
SRR※仲裁段(SRR位)1位只用在扩展格式,替代RTR;不是扩展模式不需要这个
IDE控制段(IDE位)1位用来区分标准帧(0)还是拓展帧(1)
R0控制段(空闲位)1位保留位
DLC控制段(DLC)4位用来控制数据长度
Data Field数据段8-64位数据的内容。DLC为1时数据码8位(标准CAN),为8时数据码64位(CAN FD)
CRC15CRC码15位15位CRC位+1位CRC界定符,循环冗余校验码,检测到错误时会自动重传
DELCRC界定位1位1位CRC界定符,为了把后面信息隔开
ACK应答位(ACK码)1位接收站使用应答位来表示是否已正确接收报文
DEL应答位(ACK界定位)1位一个隐性的位,为了把后面信息隔开
EOF结束位7位表示数据帧传输结束,7个隐形信号

在这里插入图片描述

1. CAN ID

CAN帧中包含ID,在数据链路层只起到优先级判断的作用。ID的数值越小,CAN帧的优先级越高,会获得总线控制权。多节点同时开始发送数据时,按照电路设计,ID按每一bit传输时,ID小的数据会覆盖ID大的值,即0&1=0,此时只要判断到自己发出的bit1实际是收到bit0,就停止发送后续的bit,稍后重试。
CAN ID值的业务意义由应用层决定。一种典型用法是,部分bit代表消息类型,部分bit代表发送者设备,即ID和设备绑定。只要ID的前几bit代表设备号,后几bit代表业务值,就能兼顾优先级判断的规范。

2. 数据场

数据场是放高层业务数据的地方。
数据链路层协议只规定了一帧的格式,数据跨越多帧的情况由应用层协议实现拆包和重组。
经典CAN,数据场最多8bytes;CAN FD最多64bytes;CAN XL最多2048bytes,即一帧可以有更多业务数据。当一帧的业务数据量>8且
003C64时,用CAN FD就不需要在业务层把数据拆成多帧和重组了,这也提升了性能。

3)CAN总线仲裁

  1. CAN总线仲裁是通过优先级决定的。
  2. CAN总线处于空闲状态时,最先发送消息的单元获得发送权。
  3. 多个单元同时开始发送时,从仲裁段(报文ID)的第一位开始进行仲裁。连续输出显性电平最多的单元可继续发送,即首先出现隐形电平的单元失去对总线的占有权变为接收。
  4. 仲裁段(识别码Identifier)值越小,说明显性电平(逻辑0)越多,那么优先级越高。
  5. 仲裁失败的单元,会自动检测总线空闲,在第一时间再次尝试发送。
    在这里插入图片描述
  • 该仲裁机制是利用“如果总线上同时出现显性电平和隐形电平,总线的状态会被置为显性电平”这个特性进行仲裁。

十二. CAN应用层

狭义的CAN,指的是物理层和数据链路层。简单地以“CAN”作为关键字去搜索,都是这两层的知识,而广义的CAN,包括应用层协议,主流有以下3种。

1)CANopen

基于CAN2.0A定义的标准帧,由CiA提出和维护。最初是为工业自动化设计的,但很快应用在了其它领域

2)J1939

基于CAN2.0B定义的扩展帧,由SAE提出。多用于重型机械,如大巴、挖掘机、拖拉机、坦克、消防车等。

3)DeviceNet

基于CAN2.0A定义的标准帧,由美国的Allen-Bradley公司所开发。主要应用包括资讯交换、安全设备及大型控制系统,在美国的市场占有率较高。比起CANopen,对物理层的要求更严格,从而使得不同厂商的设备更通用。

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