CAN总线控制器局域网
CAN，全称为“CONtroller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。一个由CAN 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用Philips P82C250作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。CAN 可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。
CAN总线特性
o CA N具有十分优越的特点，使人们乐于选择。这些特性包括：
1、低成本；
2、极高的总线利用率；
3、很远的数据传输距离(长达10Km)；
4、高速的数据传输速率（高达1Mbit/s）；
5、可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；
6、可靠的错误处理和检错机制；
7、发送的信息遭到破坏后，可自动重发；
8、节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；
9、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。
CAN总线特点
o(1)它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信。
(2)通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mb/s。
(3)通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成
帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等项工作。
(4)CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，雨代之以对通信数据块进行
编码。采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识
码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这
种数据块编码方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分步式控制中
非常重要。
(5)数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数
据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而倮证了通信的实时性。
(6)CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。
CAN总线所具有的卓越性能、极高的可靠性和独特设计，特别适合工业设各测控单元
互连。因此备受工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。
CAN总线数据格式
o所有CAN总线通信在应用上都是一致的，但有两种硬件和两个版本的数据格式，分为基本型和完全型，如图1所示。几乎所有新的处理器内部嵌入的CAN总线模块都支持
这两种操作模式，其中基本型主要用于对成本要求比较敏感的系统中。
基本型（BASIC—CAN）主要有以下特点：
●MCU内核和CAN总线模块采用闭环连接方式；
●有1个发送缓冲；
●有2个接收缓冲；
●需要使用软件选择输入的消息。
完全型（FULL—CAN）主要有以下特点：
●提供消息服务；
●对输人消息进行更大范围的接收滤波；
●邮箱允许用户配置；
●邮箱的存储区以及邮箱的大小与具体的芯片有关；
●先进的错误识别功能。
此外，CAN2．OB总线规范定义了2种不同的数据格式（标准帧和扩展帧），其主要
区别在于标识符域的长度不同：标准帧有II位的标识符，扩展帧有29位的标识符，
如图1所示。CAN总线的标准数据帧的长度是44～108位，而扩展数据帧的长度是
64～128位。根据数据流代码的不同，标准数据帧可以插入28位填充位，扩展数据
帧可以插人28位填充位。因此，标准数据帧最长为131位，扩展数据帧最长为156
位。
图1 CAN总线应用类型
图2 数据格式类型
图1给出了构成标准／扩展数据帧各位在整个数据帧中的位置，主要包括：
●帧起始位；
●包含标识符和发送消息类型的仲裁域；
●包含数据位数的控制域；
ELTMS320X281x∶DSP jffilE＆C柳；ffilBTT，荃∶
●最多8字节的数据域；
●循环冗余检查位（CRC）；
●应答位；
●帧结束位。
图3 数据帧格式
CAN总线消息主要由仲裁区、数据区、CRC校验区以及帧结束区荃部分构成。各区主要情况如下。
●仲裁区：
◇定义消息的优先级；
◇消息的逻辑地址（标识符）；
◇标准帧11位标识符；
◇扩展帧29位标识符。
●数据区：
◇每个消息最多可以包含8字节的数据；
◇允许不包含数据帧的帧存在（数据区长度为0字节）。
●CRC校验区：包含循环冗余校验位。
●帧结束区：帧结束区消息响应标识、错误消息、消息结束。
图3给出的数据帧包含起始位、标识符、远程传输请求、标识扩展等，所有相关的仲裁、数据、CRC校验以及帧结束构成了完整的CAN总线消息帧，各部分的具体含义如下。
起始位（1 bit）标识一个消息帧的开始，在空闲时间的下降沿同步所有的总线模块；
标识符（11 bits）:定义消息的逻辑地址和优先级，优先级的数字越小优先级越高；RTR（1 bit）:远程传输请求，如果RTR＝1表示在数据帧中没有有效数据，请求远程节点向发出请求帧的节点发送数据；
IDE（1 bit）:标识符扩展，如果IDE＝1，则采用扩展的数据帧传送数据；
r0 保留；
DLC（4 bits）:数据长度代码，数据帧长度允许的数据字节数为｛0～8），其他长度数值不允许使用；
数据（0～8字节）:消息数据；
CRC（15 bits）:循环冗余校验码”只用于检测错误而不能校正；
ACK（2 bits）每一个接听者接收到消息后必须发送响应位（ACK）：
EOF（7 bits＝1，recesslve）:帧的结束；
IFS（3 bits＝1，recessive）:内部帧空间，将接收到的消息从总线处理单元复制到
缓冲，只有扩展模式有该位；
SRR（1 bit＝recesslve）: 替代标准帧中的远程帧请求位（RTR）；
r0:保留。
CAN总线的仲裁
o CAN总线采用的是一种叫做“载波监测，多主掌控／冲突避免”（CSMA／CA）的通信模式。这种总线仲裁方式允许总线上的任何一个设各都有机会取得总线的控制权并向外
发送数据。如果在同一时刻有2个或2个以上的设各要求发送数据，就会产生总线冲
突，CAN总线能够实时地检测这些冲突并对其进行仲裁，从而使具有高优先级的数据
不受任何损坏地传输。
当总线处于空闲状态时呈隐性电平，此时任何节点都可以向总线发送显性电平作为帧的
开始。如果2个或2个以上同时发送就会产生竞争。CAN总线解决竞争的方法同以太
网的CSMA／CD（Carrier Sense Multiple Access with Collislon Detection）方
法基本相似，如图1所示。此外，CAN总线做了改进并采用CSMA／CA（Carrier Sense
Multiple Access with Collision Avoidance）访问总线，按位对标识符进行仲裁。各
节点在向总线发送电平的同时，也对总线上的电平读取，并与自身发送的电平进行比较，
如果电平相同继续发送下一位，不同则停止发送退出总线竞争。剩余的节点继续上述过
程，直到总线上只剩下1个节点发送的电平，总线竞争结束，优先级高的节点获得总
线的控制权。
图1 Ethernet采用的CSMA／CD总线访问过程
CAN总线以报文为单位进行数据传输，报文的优先级结合在44位标识符中（扩展帧
的标识符29位），具有最小二进制数的标识符的节点具有最高的优先级。这种优先级
一旦在系统设计时确定就不能随意地更改，总线读取产生的冲突主要靠这些位仲裁解
决。之所以CAN总线不采用以太网使用的延时避免冲突，主要是为了保证具有更高优
先级的节点能够完整地实时传输，而且CSMA／CA可以有效地避免冲突。
如图2所示，节点A和节点B的标识符的第lO、9、8位电平相同，因此两个节点侦
听到的信息和它们发出的信息相同。第7位节点B发出一个“1”，但从节点上接收到的
消息却是“0”，说明有更高优先级的节点占用总线发送消息。节点B会退出发送处于单
纯监听方式而不发送数据；节点A成功发送仲裁位从而获得总线的控制权，继而发送
全部消息。总线中的信号持续跟踪最后获得总线控制权发出的报文，本例中节点A的
报文将被跟踪。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于，在网络最终确定哪个节点被传送
前，报文的起始部分已经在网络中传输了，因此具有高优先级的节点的数据传输没有任
何延时。在获得总线控制权的节点发送数据过程中，其他节点成为报文的接收节点，并
且不会在总线再次空闲之前发送报文。
图3为CAN总线上节点的电平逻辑，总线上的节点电平对于总线电平而言是相与的关
系，只有当3个节点的电压都等于1（隐性电平），总线才会保持在ycc（隐性电平）
状态。只要有1个节点切换到0状态（显性电平），总线就会被强制在显性状态（0）。
这种避免总线冲突的仲裁方式能够使具有高优先级的消息没有延时地占用总线传输。
图3 CAN总线上节点的电平逻辑
CAN总线的物理连接
o CAN总线采用的是一种叫做“载波监测，多主掌控／冲突避免”（CSMA／CA）的通信模式。这种总线仲裁方式允许总线上的任何一个设各都有机会取得总线的控制权并向外
发送数据。如果在同一时刻有2个或2个以上的设各要求发送数据，就会产生总线冲
突，CAN总线能够实时地检测这些冲突并对其进行仲裁，从而使具有高优先级的数据
不受任何损坏地传输。
当总线处于空闲状态时呈隐性电平，此时任何节点都可以向总线发送显性电平作为帧的
开始。如果2个或2个以上同时发送就会产生竞争。CAN总线解决竞争的方法同以太
网的CSMA／CD（Carrier Sense Multiple Access with Collislon Detection）方
法基本相似，如图1所示。此外，CAN总线做了改进并采用CSMA／CA（Carrier Sense
Multiple Access with Collision Avoidance）访问总线，按位对标识符进行仲裁。各
节点在向总线发送电平的同时，也对总线上的电平读取，并与自身发送的电平进行比较，
如果电平相同继续发送下一位，不同则停止发送退出总线竞争。剩余的节点继续上述过
程，直到总线上只剩下1个节点发送的电平，总线竞争结束，优先级高的节点获得总
线的控制权。
图1 Ethernet采用的CSMA／CD总线访问过程
CAN总线以报文为单位进行数据传输，报文的优先级结合在44位标识符中（扩展帧
的标识符29位），具有最小二进制数的标识符的节点具有最高的优先级。这种优先级
一旦在系统设计时确定就不能随意地更改，总线读取产生的冲突主要靠这些位仲裁解
决。之所以CAN总线不采用以太网使用的延时避免冲突，主要是为了保证具有更高优
先级的节点能够完整地实时传输，而且CSMA／CA可以有效地避免冲突。
如图2所示，节点A和节点B的标识符的第lO、9、8位电平相同，因此两个节点侦
听到的信息和它们发出的信息相同。第7位节点B发出一个“1”，但从节点上接收到的
消息却是“0”，说明有更高优先级的节点占用总线发送消息。节点B会退出发送处于单
纯监听方式而不发送数据；节点A成功发送仲裁位从而获得总线的控制权，继而发送
全部消息。总线中的信号持续跟踪最后获得总线控制权发出的报文，本例中节点A的
报文将被跟踪。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于，在网络最终确定哪个节点被传送
前，报文的起始部分已经在网络中传输了，因此具有高优先级的节点的数据传输没有任
何延时。在获得总线控制权的节点发送数据过程中，其他节点成为报文的接收节点，并
且不会在总线再次空闲之前发送报文。
图2 CAN总线节点访问总线过程
图3为CAN总线上节点的电平逻辑，总线上的节点电平对于总线电平而言是相与的关
系，只有当3个节点的电压都等于1（隐性电平），总线才会保持在ycc（隐性电平）
状态。只要有1个节点切换到0状态（显性电平），总线就会被强制在显性状态（0）。
这种避免总线冲突的仲裁方式能够使具有高优先级的消息没有延时地占用总线传输。
CAN总线的通信错误及其处理
o在CAN总线中存在5种错误类型，它们互相并不排斥，下面简单介绍一下它们的区别、产生的原因及处理方法。
位错误:向总线送出一位的某个节点同时也在监视总线，当监视到总线位的电平与送出
的电平不同时9则在该位时刻检测到一个位错误。但是在仲裁区的填充位流期间或应
答间隙送出隐性位而检测到显性位时，不认为是错误位。送出认可错误标注的发送器，
在检测到显性位时也不认为是错误位。
填充错误:在使用位填充方法进行编码的报文中，出现了第6个连续相同的位电平时，
将检测出一个填充错误。
CRC错误:CRC序列是由发送器CRC计算的结果组成的。接收器以与发送器相同的方
法计算CRC。如果计算的结果与接收到的CRC序列不同，则检测出一个CRC错误。
形式错误: 当固定形式的位区中出现一个或多个非法位时，则检测到一个形式错误。
应答错误:在应答间隙，发送器未检测到显性位时，则由它检测出一个应答错误。
检测到出错条件的节点通过发送错误标志进行标定。当任何节点检测出位错误、填充错
误、形式错误或应答错误时，由该节点在下一位开始发送出错误标志。
当检测到CRC错误时。出错标志在应答界定符后面那一位开始发送．除非其他出错条
件的错误标志已经开始发送。
在CAN总线中，任何一个单元可能处于下列3种故障状态之一：错误激活状态
（ErrorActive）、错误认可状态（Error Pasitive）和总线关闭状态（Bus off）。
错误激活单元可以照常参与总线通信，并且当检测到错误时，送出一个活动错误标志。
错误认可节点可参与总线通信，但是不允许送出活动错误标志。当其检测到错误时，
只能送出认可错误标志，并且发送后仍为错误认可状态，直到下一次发送初始化。总
线关闭状态不允许单元对总线有任何影响。
为了界定故障，在每个总线单元中都设有2个计数：发送出错计数和接收出错计数。
这些计数按照下列规则进行。
（1）接收器检查出错误时，接收器错误计数器加1，除非所有检测错误是发送活动错
误标志或超载标志期间的位错误。
（2）接收器在送出错误标志后的第一位检查出显性位时，错误计数器加8。
（3）发送器送出一个错误标志时，发送器错误计数器加8。有两种情况例外：其一是
如果发送器为错误认可，由于未检测到显性位应答或检测到应答错误，并且在送出其
认可错误标志时，未检测到显性位；另外一种情况是如果仲裁器件产生填充错误，发送
器送出一个隐性位错误标志，而检测到的是显性位。除以上两种情况外，发送器错误计
数器计数不改变。
（4）发送器送出一个活动错误标志或超载标志时，检测到位错误，则发送器错误计数
器加8。
（5）在送出活动镨误标志、认可错误标志或超载错误标志后，任何节点都最多允许连
续7个显性位。在检测到第11个连续显性位后，或紧随认可错误标志检测到第8个连
续的显性位，以及附加的8个连续的显性位的每个序列后，每个发送器的发送错误计
数都加8，并且每个接收器的接收错误计数也加8。
（6）报文成功发送后，发送错误计数减1，除非计数值已经为0。
（7）报文成功发送后，如果接收错误计数处于1～197之间，则其值减1；如果接收
错误计数为0，则仍保持为0；如果大于127，则将其值记为119～127之间的某个
数值。
（8）当发送错误计数等于或大于128，或接收错误汁数等于或大于128时，节点进
人错误认,可状态，节点送出一个活动错误标志。
（9）当发送错误计数器大于或等于256时，节点进人总线关闭状态。
（1O）当发送错误计数和接收错误计数均小于或等于127时，错误认可节点再次变为
错误激活节点。
（11）在检测到总线上11个连续的隐性位发送128次后，总线关闭节点将变为2个
错误计数器均为0的错误激活节点。
（12）当错误计数器数值大于96时，说明总线被严重干扰。
如果系统启动期间仅有1个节点挂在总线上，此节点发出报文后，将得不到应答，检
查出错误并重复该报文，此时该节点可以变为错误认可节点，但不会因此关闭总线。 CAN 总线是如何发展
o CAN最初出现在80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就
使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接。提出CAN总线的
最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信
号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。
1993年，CAN 已成为国际标准ISO11898(高速应用)和ISO11519（低速应用）。
CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干
扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时，CAN 仍可提
供高达50Kbit/s的数据传输速率。
由于CAN总线具有很高的实时性能，因此，CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控
制、安全防护等领域中得到了广泛应用。