【CAN】CAN基础概念1

摘自VECTOR官网E-Learning的资料

1. 标准化

CAN 协议（CAN protocol）

从1994年开始，ISO启动CAN技术标准化工作，并最终形成4份标准规范。其中，ISO 11898-1描述了CAN协议。
除了数据通信的参考模型，CAN协议仅包括数据链路层（介质访问控制子层 MAC-Medium Access Control和逻辑链路控制子层 LLC-Logical Link Control）和物理层（物理信号 PLS-Physical Signaling）。

CAN控制器（CAN Controller）

CAN协议是基于硬件实现的。
目前有多种不同的CAN控制器，其唯一区别在于对CAN报文的处理方式，具体体现在对象层中：具有对象存储的CAN控制器（即完整CAN控制器-Full CAN Controller）与不具有对象存储的CAN控制器（即基础CAN控制器-Basic CAN Controller）

高速CAN和低速CAN

ISO 11898-2和ISO11898-3介绍了数据通信参考模型的两个子层：PMA（Physical Medium Attachment，物理介质适配层）和PMS（Physical Medium Specification，物理介质规范）。
它们描述了两种不同的CAN物理层：高速CAN物理层和低速CAN物理层，主要区别在于对总线电平和数据传输速率（波特率）的定义。

波特率

ISO 11898-3规定最大的波特率为125kbit/s，主要用于汽车的舒适系统领域。ISO 11898-2规定最大波特率为1Mbit/s，主要用于汽车的动力系统和底盘系统领域。

事件驱动通信

ISO 11898-1定义了事件驱动通信。总线负载较高可能会导致延迟，对优先级较低的CAN报文来说尤其如此。
若要确保在CAN网络中实现确定性通信，可以使用ISO 11898-4。ISO 11898-4是数据链路层的扩展，为CAN网络增加了时间触发的通信选项。

2. CAN网络

结构

CAN网络由若干个经物理传输介质（CAN总线-CAN Bus）连接的CAN节点组成。实际上，CAN网络通常采用线性拓扑结构，每个ECU经CAN接口连接到总线。也有少数CAN网络采用被动星形拓扑。

物理层

非屏蔽双绞线（UTP，Unshielded Twisted Pair）是传输对称信号时最常用的物理传输介质。通常，UTP的线横截面介于0.34 mm2 和0.6 mm2 之间。线路电阻应小于60 mΩ。

边界条件

在最高传输速率1Mbit/s的情况下，允许的最大长度是40米。在CAN网络的末端，总线终端电阻（termination resistor）有助于抑制信号反射现象。
ISO 11898规定CAN节点的最大数量为32。

3. CAN节点

节点

在CAN网络中执行任务的ECU称为CAN节点。

复杂度升高

在ECU联网的初期，一个简单的CAN驱动程序（该驱动程序为应用程序提供与硬件无关的简单接口）、一个CAN控制器和一个CAN收发器（CAN transceiver）足以实现CAN接口。如今，ECU网络离不开操作系统、网络管理和诊断功能。同时，软件已变得极其复杂，因此有必要对ECU基础软件进行标准化。

AUTOSAR

AUTOSAR（AUTomotive Open System ARchiteture，汽车开放系统架构）为ECU软件提供了参考架构，其核心是AUTOSAR实时运行环境（RTE），负责将网络与应用程序的软件组件完全分离。AUTOSAR以基础软件的形式为软件组件提供统一的服务，从低到高分别为：微控制器抽象层、ECU抽象层、服务层。

CAN节点结构

CAN Node图描述了新式CAN节点的结构。最值得关注的是“通信服务”领域。AUTOSAR COM（通信）提供标准通信服务、诊断服务（诊断COM管理器）和网络管理服务（通用NM/CAN NM）。
PDU路由器（PDU：协议数据单元）处理各个通信层之间的内部节点通信，并协调AUTOSAR COM、诊断COM管理器和CAN TP（传输协议）之间的通信。

4. CAN控制器

CAN接口

ECU需要CAN接口才能参与CAN通信。CAN接口由CAN控制器和CAN收发器组成。CAN控制器执行CAN协议规定的通信功能，从而大大减轻了主机的负担。

CAN收发器

CAN收发器将CAN控制器连接到物理传输介质。通常，控制器和收发器之间采用光耦隔离或磁耦隔离，因此尽管CAN总线上的过电压可能会损坏CAN收发器，但CAN控制器和底层主机仍可受到保护。

发送/接收

在CAN网络中，CAN节点的不同之处在于每个节点发送或接收的CAN报文的数量。发送和接收的频率也存在很大差异。
例如，一个CAN节点可能要接收五条不同的CAN报文，且每隔10毫秒接收一条，而另一个CAN节点只需每隔100毫秒接收一条CAN报文。这些明显的差异导致产生了两种基本的CAN控制器架构：完整CAN控制器和基础CAN控制器。

集成

不论CAN控制器类型如何，CAN控制器都可集成在微控制器中，也可以作为独立的芯片存在（如图所示）。在这种情况下，微控制器会将CAN控制器视为存储芯片。
虽然独立CAN控制器更加灵活，但集成CAN控制器具有所需空间更少的优势，并且微控制器和CAN控制器之间的通信更快、更可靠。

5. CAN收发器

总线连接

以前，CAN控制器经常通过离散电路连接到通信介质（CAN总线）。但现在，CAN收发器可以处理总线连接。CAN收发器有两个总线引脚：一个用于连接CAN高信号线（CANH），另一个用于连接CAN低信号线（CANL）。这是因为CAN采用对称的物理信号传输以满足电磁兼容性，而且CAN网络中的物理传输介质是由两根线（非屏蔽双绞线）构成。

高/低速率

通常，高速CAN收发器和低速CAN收发器的物理电平不同，支持的数据传输速率也不同。高速CAN收发器支持的波特率高达1 Mbit/s。低速CAN收发器支持的波特率最高仅为125 kbit/s。但低速CAN收发器可确保总线接口的容错布局（例如，两条通信线路之中的某一条故障不会导致总体通信故障）。

收发器布局

CAN Transceiver Layout图显示了高速CAN收发器的基本布局。两个输出晶体管都处于截止状态时，CANH和CANL均具有相同的电位（0.5*Vcc），且差分电压为零。两个晶体管导通时会在CANH和CANL之间产生一个随负载电阻变化的差分电压。根据ISO 11898-2，该差分应为2V。因此，会产生约35 mA的电流。

抗噪能力

通常，CAN收发器的电磁辐射极低且共模工作范围广，具有较高的抗噪能力。此外，目前的CAN收发器可提供高达8 kV的ESD（Electro-Static discharge，防静电）保护。尽管CAN收发器在某些应用领域中具有很高的共模抑制，但在输出附近插入共模扼流圈（CMC）仍有助于进一步减少辐射。

限制

ISO 11898中规定CAN节点的最大数量为32。实际上，CAN节点的最大数量在很大程度上取决于所使用的CAN收发器的性能以及CAN网络是高速还是低速。
例如，如果在高速CAN网络中使用TJA1050高速CAN收发器，则在一个CAN网络中最多可以连接110个CAN节点。

6. CAN总线电平

总线连接

CAN网络中的物理信号基于差分信号进行传输，具体的差分电压取决于所使用的总线接口。高速CAN总线接口（ISO 11898-2）和低速CAN总线接口（ISO 11898-3）有所不同。

电压等级

在ISO 11898-2中，逻辑“1”对应差分电压0V，逻辑“0”对应差分电压2V。高速CAN收发器将超过0.9V的差分电压当做共模工作范围（通常为-12V到12V之间）内的显性（dominant）电平。低于0.5V的差分电压被当做隐性（recessive）电平。磁滞电路提高了抵抗干扰电压的能力。
在ISO 11898-3中，逻辑“1”对应差分电压-5V，逻辑“0”对应差分电压2V。
“High-Speed CAN Bus Levels”图和“Low-Speed CAN Bus Levels”图说明了不同CAN总线上的电压关系。

7. CAN总线逻辑

显性/隐性

在CAN网络中实现通信顺畅（尤其是总线访问、故障指示和应答）的基本前提是总线显性电平和总线隐性电平之间存在明显差别。总线显性电平对应于逻辑“0”，总线隐性电平对应于逻辑“1”。
显性电平优先级高于隐性电平。当不同CAN节点同时发送显性和隐性总线电平时，CAN总线将呈现显性总线电平。只有当所有CAN节点都发送隐性电平时，CAN总线才呈现隐性总线电平。

与逻辑

从逻辑上说，上述行为是与逻辑。从物理上讲，与逻辑由集电极开路电路实现。通过“Bus Logic”图可以了解CAN网络的线与（wired-AND）逻辑。

8. 通信原理

事件驱动

CAN网络基于多主架构与总线型拓扑的原因是：每个CAN节点都可以发送报文至CAN总线上。CAN报文的传输不遵循任何预定的时间顺序，而是由事件驱动。
当传输信息时，通信通道才会处于繁忙状态，因此CAN节点可以非常快速地访问总线。理论上，由于可以快速响应异步事件且波特率高达1 Mbit/s，因此在CAN网络中完全可以实现毫秒级的实时数据传输。

接收方（receiver）选择寻址（addressing）

在CAN网络中，接收方选择寻址防止总线节点之间产生依赖，从而提高配置的灵活性：CAN报文是广播发送的，网络中所有CAN节点都可以接收到所有CAN报文。每个节点中都有过滤器，可以通过报文的标识符（ID）来筛选实际所需的CAN报文。虽然这会增加开销，但却可以在不修改CAN网络的情况下集成其他CAN节点。

CAN通信

“Typical CAN Communication”图显示了典型的通信顺序，包括构成CAN网络基础的通信矩阵，以及最终的接收和发送情况。