1、3.3 CAN总线基本技术参数3.3.1 总线典型电平总线典型电平 总线上的位电平表示如图315所示。图中，VCANH、VCANL分别表示总线的两线上的电压（以某一电位为公共参考电位，一般选总线收发器的电源地）；Vdiff 为总线差分电平，Vdiff=VCANH-VCANL。在总线为隐性电平/隐性状态时，VCANH和 VCANL均在平均电平附近，Vdiff近似为零；在总线为显性电平/显性状态时，Vdiff大于某一阈值。CAN技术规范中没有给出隐性电平和显性电平的数值，而ISO11898对此有所规定，其典型值如图316所示（图中V-为VCANH、VCANL的公共参考电位）。由图中可见，在隐性状态
2、下，各典型值为：VCANHVCANL2.5V，Vdiff=0V；在显性状态下，各典型值为：VCANH3.5V,VCANL=1.5V,Vdiff=2V。当节点通过总线收发器从总线上收到标识符ID=11000100111的数据帧/远程帧时，对于帧起始和标识符部分,RXD上的电压VR的波形和典型电平即为图318(a),而Vdiff的波形和典型电平仍为图318（b）。实际上，CAN技术规范中已提到，总线显性电平由逻辑“0”(Vdiff2V)表示，隐性电平由逻辑“1”(Vdiff0V)表示,这与图318（b）所示的电平“0”、“1”是一致的，只不过要注意，其中“0”为正脉冲，“1”为负脉冲。3.3.2
3、LLC子层和子层和MAC子层子层1、LLC子层子层 LLC子层描述OSI数据链路层的上部。CAN技术规范中指出，LLC子层的主要功能是接收过滤、超载通知和恢复管理。接收过滤是指LLC子层通过对报文整个标识符或部分标识符的屏蔽/筛选来决定是否接收报文；超载通知是指在发生超载条件时，LLC子层发送超载帧以示通告，从而延迟下一个数据帧或远程帧；恢复管理是指在发送期间，对于丢失仲裁的或已损的报文，LLC子层具有自动重发的功能。ISO11898中介绍，LLC子层（为用户）提供两类非连接方式的传送服务：非应答数据发送服务和非应答远程数据请求服务。根据这两种服务，存在两种类型的来自/传给用户的帧：LLC数据
4、帧和LLC远程帧。对于这两种类型的帧，LLC子层均向用户通告帧是否成功发送或接收。另一方面，LLC子层接受MAC子层提供的服务。LLC子层传给/接收来自MAC子层的帧为：数据帧、远程帧和超载帧。LLC数据帧和远程帧的结构分别如图319和图320所示。应该指出，用户传给LLC子层的标准格式的数据帧包括4部分：标识符、RTR位（为“0”）、DLC和数据场，前3部分的位数分别为11、1和4，即前3部分共有16位，刚好为2个字节（占用2个地址单元，若每个地址单元为1个字节）。许多CAN控制器（如SJA1000、P8xC591中的CAN控制器）就要求将标识符、RTR位和DLC写入2个地址单元或从2个地址
5、单元中读出。用户传给LLC子层的标准格式的远程帧包括3部分：标识符、RTR位（为“1”）和DLC。图319 LLC数据帧 图320 LLC远程帧标识符场DLC场LLC数据场标识符场DLC场2、MAC子层子层 MAC子层描述OSI数据链路层的下部，它作为LLC子层和物理层的接口。CAN技术规范中指出，MAC子层是CAN协议的核心。MAC子层提供的主要功能是传送协议，即发送/接收数据的封装（成帧）/拆装，帧编码及位填充（若需要）/去除填充位（若有），媒体访问管理（执行仲裁），错误检测和标注，应答，（发送）串行化/（接收）解除串行化。ISO11898中介绍，MAC子层为LLC子层提供的服务为：应答数
6、据传送，即为LLC子层发送/接收数据帧；应答远程数据传送，即为LLC子层发送/接收远程帧；超载帧传送，即为LLC子层发送/接收超载帧。CAN技术规范中给出的4种帧（数据帧、远程帧、错误帧和超载帧）的组成均指的是MAC帧。3.3.3 MAC 机制机制 CAN网络上一个节点发送的帧/报文可被网络上所有其它节点监听并应答。当总线处于空闲（开放）时，任何节点均可开始发送报文。若一个节点正在发送，其它节点只有在此发送完成以后，才可尝试发送，如图3-21所示。图中，节点Y在t0时刻想要发送，但通过监听网络得知此时节点X正在发送（总线上有节点X的帧），因此节点Y必须等待，直到节点X发送完毕，并经帧间空间之后
7、，在t1时刻才能发送。节点Y等待的时间为（t1-t0）。如果两个或多个节点同时开始发送，则通过使用仲裁场（11位标识符和RTR位（对于标准格式）的非破坏性逐位仲裁机制来解决总线访问冲突。其基础是，当一个隐性位（“1”）和一个显性位（“0”）同时被发送至总线时，总线上所出现的结果为一个显性位（“0”）。在仲裁场发送期间，每一个发送器均监听总线电平，并将它与自身发送的位相比较。若两值相等，则节点可继续发送。若一个节点发送一个隐性位（若一个节点发送一个隐性位（“1”），而），而在总线上监听到一个显性位（在总线上监听到一个显性位（“0”），则此节点即失去仲），则此节点即失去仲裁，并必须停止发送。裁，并
8、必须停止发送。在当前发送结束后，失去仲裁的节点可尝试再次发送。*由于标识符是由最高位至最低位被发送的，因此发送数值最小的标识符的节点会赢得仲裁。图3-22给出了一个标准格式的CAN的逐位仲裁的例子。3.3.4 位定时的作用及硬同步与重同步位定时的作用及硬同步与重同步1、位定时、位定时的作用的作用 位定时是由节点自身完成的（可编程），位定时的作用：（1）确定位时间（位周期），以便确定波特率（位速率），从而确定总线的网络速度；或在给定总线的网络速度的情况下确定位时间。（2）确定1位的各个组成部分同步段、传播段、相位缓冲段1和相位缓冲段2的时间长度，其中同步段用于硬同步，位于相位缓冲段1终点的采样点
9、用于保证正确地读取总线电平。（3）确定重同步跳转宽度以用于重同步。一个节点应既能在位时间的采样点正确地读取总线电平，也能检测来自总线的沿以进行硬同步或重同步。顺便指出，在CAN技术规范的时间份额的表达式中，对于常用的独立CAN控制器SJA100和P8xC591中的CAN控制器，时间份额t q为系统时钟周期t sc l；预引比例因子m为可编程的，其值取决于总线定时寄存器0（BTR0）的内容；最小时间份额为振荡器周期tCLK的2倍，即2tCLK。2、硬同步、硬同步与与重同步重同步 CAN 总线中，同步包括硬同步和重同步两种形式。同步与位定时密切相关。同步也是由节点自身完成的。节点将检测到的来自总线
10、的沿与其自身的位定时相比较，并通过硬同步或重同步适配（调整）位定时。（1）硬同步）硬同步 所谓硬同步，就是由节点检测到的来自总线的沿强迫节点立即确定出其内部位时间的起始位置（同步段的起始时刻）。硬同步的结果是，沿的到来时刻的前一时刻（以时间份额t q量度）即成为节点内部位时间同步段的起始时刻，并使内部位时间从同步段重新开始。这就是规范中所说的“硬同步强迫引起硬同步的沿处于重新开始的位时间同步段之内”。硬同步一般用于报文开始，即总线上的各个节点的内部位时间的起始位置（同步段）是由来自总线的一个报文帧的帧起始的前沿决定的。正如CAN技术规范中所指出的那样，同步段的时间长度为1个时间份额。如图323
11、所示，来自总线的引起硬同步的沿在t1时刻到来，则节点检测到该沿，将t1时刻的前一时刻t0（以tq为周期）作为内部位时间同步段的起始时刻。t0:内部位时间同步段的起始时刻(a)节点内部时间序列(以时间份额 tq 为周期)t1:引起硬同步的沿的到来时刻tq(b)来自总线的引起硬同步的沿引起硬同步的沿(位于内部位时间同步段内).（2）重同步）重同步 所谓重同步，就是节点根据沿相位误差的大小调整其内部位时间。重同步的结果是，节点内部位时间与来自总线的报文位流的位时间接近或相等，从而使节点能够正确地接收报文。重同步一般用于报文位流发送期间，以补偿各个节点振荡器频率的不一致。这里涉及到沿相位误差的概念。在
12、此进一步指出，沿相位误差由来自总线的沿相对于节点内部位时间同步段的位置给定，以时间份额量度。沿相位误差的符号e的定义已在CAN技术规范中说明。CAN技术规范中也给出了重同步跳转宽度及重同步策略与同步规则。为深入理解节点究竟是如何进行重同步的，图324给出了重同步的图解。图中，SY、PR、PS1和PS2分别表示同步段、传播段、相位缓冲段1和相位缓冲段2。假定总线位流的第一位（帧起始，为“0”）起始于t1时刻、终止于t2时刻，总线位流的第2位为“1”；从第2位开始，总线位流的“隐性”（“1”）至“显性”（“0”）和“显性”（“0”）至“隐性”（“1”）的跳变沿均用于重同步。(a)节点内部时间序列(
13、以时间份额tq 为周期)SYPRPS1PS2SY PRPS1PS2采样点采样点第1位位时间第2位位时间(b)节点内部位时间01第1位(帧起始)第2位t1t2(c)总线位流位时间 在t1时刻，节点检测到总线的跳变沿，便进行硬同步，使t1时刻的跳变沿处于节点内部第1位位时间的同步段内。节点从第1位的同步段开始启动内部位定时，即根据系统要求的波特率给出内部位时间。现假定由于各节点振荡器频率的不一致，在t2时刻的跳变沿未处于节点第2位位时间的同步段SY内，而是处于PS1内，即有e0。这表明节点内部的位时间小于总线位流的位时间。为了使节点能从总线上通过采样得到正确的位数值，需使节点内部的位时间延长，以使
14、节点内部位时间与总线位流位时间接近或相等。因此，在这种情况下节点应采取的重同步策略为：使PS1延长一定宽度（图中PS1延长1个时间份额，即同步跳转宽度为1个时间份额）。这与CAN技术规范中所说的重同步策略是一致的。3.3.5 数据帧与数据帧与 CAN中断速率中断速率 数据帧是最典型最常用的CAN帧，而标准格式既是基础也是较常用的（如DeviceNet只支持标准格式），本小节即以标准格式的数据帧为分析对象。表3-2给出了标准格式的数据帧的7个位场及其位数（表中给出的位数未计及填充位）。可见，标准格式数据帧的最小位数为44，最大位数为108。一般地，将帧起始、仲裁场和控制场作为CAN头部（19位）
15、，CRC场、应答场和帧结束作为CAN尾部（25位）。在设计CAN节点/系统时，设计者应考虑由总线上的数据帧引起的对节点的中断的速率。由于CAN数据帧较小（0-8字节），当因多个节点欲同时发送报文而使总线上出现连续的数据帧时，对用软件屏蔽或完全不屏蔽的接收器的中断发生率就会很高。图3-25给出了具有最小帧间空间（3位）的2个背对背式（back-to-back）CAN数据帧。由该图得到的表3-3说明了最坏情况下接收器的中断速率。此接收器接收一个洪流（连续的背对背式数据帧）链路上的所有帧。表3-2 标准格式数据帧位数 如表3-3所示，CAN中断速率不是低速的。在500kbps、1Mbps下，对于0字
16、节数据帧，中断每94s、47s产生一次。基于多数低端微控制器/微处理器的CAN节点不能跟上不能跟上此中断速率（节点需要一定的时间来进行各种分析、处理）。因此，应根据CAN中断速率、节点功能和系统要求来为节点选择合适的微控制器/微处理器。必要时，可考虑选用一个单独的微控制器/微处理器来服务于CAN通信（接收、存贮、预处理及发送等）。同时，应充分利用CAN控制器的屏蔽/匹配功能，以将不需接收的（数据）帧不经微控制器/微处理器直接屏蔽掉。3.3.6 标准格式及扩展格式的数据帧、远程帧的区分标准格式及扩展格式的数据帧、远程帧的区分 通过分析CAN技术规范，可将以下4种不同类型的帧区别开来：1标准格式数
17、据帧，2标准格式远程帧，3扩展格式数据帧，4扩展格式远程帧。对于1，11位标识符后是2个显性位：仲裁场的RTR位和控制场的r1位；对于2，11位标识符后是一个隐性位和一个显性位：仲裁场的RTR位和控制场的r1位。据此可将1与2分开。对于3、4，11位标识符（这里称为基本ID）后为两个隐性位：仲裁场的IDE位和SRR位。据此可将3、4与1、2分开。而3、4之间可由扩展ID后的RTR位分开：3中RTR位为显性位，4中RTR位为隐性位。3.3.7 总线长度与位速率总线长度与位速率 CAN总线长度与节点/网络的位速率有关。表3-4给出了CAN总线上任意两个节点的最大传输距离与其位速率的关系。表中，BTR0、BTR1分别指总线定时寄存器（Bus Timing Register）0、1；给出的BTR0、BTR1的数值是以CAN控制器SJA1000或P8xC591为例，使用的晶振频率为16MHz（晶振漂移0.1%）。若要增加总线长度，可采用中继器/网桥等网络互连设备。
