控制器局域網(wǎng) (CAN) 是一種串行通信總線，專為在惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健且靈活的性能而設(shè)計(jì)，尤其適用于工業(yè)和汽車應(yīng)用。

　　CAN 初由博世發(fā)明，后來(lái)編入 ISO11898-1 標(biāo)準(zhǔn)，它定義了開放系統(tǒng)互連 (OSI) 模型的數(shù)據(jù)鏈路和物理層，為高速車載通信提供低級(jí)網(wǎng)絡(luò)解決方案。特別是，CAN 的開發(fā)是為了減少電纜布線，因此車輛內(nèi)的獨(dú)立電子控制單元 (ECU) 只能與一對(duì)電線進(jìn)行通信。圖 1 顯示了汽車中連接到 CAN 總線的 ECU。

　　圖 1. CAN 用于汽車中的 ECU 通信。圖片由 Infosec Institute提供。
　　車載診斷 (OBD) 是車輛的診斷和系統(tǒng)，允許您或技術(shù)人員通過(guò)診斷故障代碼 (DTC) 排除問(wèn)題。當(dāng)“檢查發(fā)動(dòng)機(jī)”燈亮起時(shí)，技術(shù)人員通常會(huì)使用手持設(shè)備讀取車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)代碼。在層，該數(shù)據(jù)通過(guò)信令協(xié)議（大多數(shù)情況下是 CAN）傳輸。

　　DeviceNet 是工業(yè)應(yīng)用中使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它大大減少了控制系統(tǒng)和 I/O 設(shè)備之間所需的接線。設(shè)備可以通過(guò)四線連接器連接在一起并連接到 PLC 上的網(wǎng)絡(luò)掃描儀，而不是將每個(gè)設(shè)備連接到 PLC I/O 模塊上的單獨(dú)輸入/輸出。在層，我們發(fā)現(xiàn) CAN 在 DeviceNet 協(xié)議中發(fā)揮著其魔力。圖 2 顯示了 PLC 掃描通過(guò) DeviceNet 進(jìn)行通信的工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

　　圖 2.連接到 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)的 PLC，該網(wǎng)絡(luò)使用 CAN 作為數(shù)據(jù)鏈路和物理層。
　　CAN 消息幀
　　那么 CAN 消息實(shí)際上是什么樣子的呢？初的 ISO 標(biāo)準(zhǔn)制定了所謂的標(biāo)準(zhǔn) CAN。標(biāo)準(zhǔn)CAN對(duì)不同的報(bào)文使用11位標(biāo)識(shí)符，總共有2 11，即2048個(gè)不同的報(bào)文ID。CAN后來(lái)被修改；標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展為 29 位，給出 2 29 個(gè)標(biāo)識(shí)符。這稱為擴(kuò)展 CAN。CAN 使用多主總線，所有消息都在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上廣播。標(biāo)識(shí)符提供仲裁的消息優(yōu)先級(jí)。
　　CAN 使用具有兩種邏輯狀態(tài)的差分信號(hào)，稱為隱性和顯性。隱性表示差分電壓小于閾值電壓。顯性指示差分電壓大于此閾值。有趣的是，顯性狀態(tài)是通過(guò)將邏輯“0”驅(qū)動(dòng)到總線上來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而隱性狀態(tài)是通過(guò)邏輯“1”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這與大多數(shù)系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)高和低相反。本文稍后將詳細(xì)介紹這兩種狀態(tài)。重要的是，在仲裁過(guò)程中，主導(dǎo)國(guó)家優(yōu)先于隱性國(guó)家。
　　標(biāo)準(zhǔn)CAN

　　標(biāo)準(zhǔn) CAN 消息幀由許多位字段組成。這些如圖 3 所示。

　　圖 3.標(biāo)準(zhǔn) CAN 消息幀
　　位是幀開始 (SOF)。該顯性位代表 CAN 消息的開始。接下來(lái)是 11 位標(biāo)識(shí)符，它確定 CAN 消息的優(yōu)先級(jí)。標(biāo)識(shí)符越小，消息的優(yōu)先級(jí)越高。
　　遠(yuǎn)程傳輸請(qǐng)求 (RTR) 位通常為顯性位，但當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，該位會(huì)變?yōu)殡[性。當(dāng)發(fā)送標(biāo)準(zhǔn) CAN 幀而非擴(kuò)展幀時(shí)，標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展 (IDE) 位占主導(dǎo)地位。r0 位被保留，當(dāng)前未使用。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼 (DLC) 半字節(jié)表示此消息中有多少個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。
　　接下來(lái)是數(shù)據(jù)本身，其字節(jié)數(shù)與 DLC 位中表示的字節(jié)數(shù)相同。循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 是一個(gè) 16 位校驗(yàn)和，用于檢測(cè)傳輸數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤。如果消息被正確接收，接收節(jié)點(diǎn)將用顯性位覆蓋隱性確認(rèn)位 (ACK)。ACK 還包含一個(gè)分隔符位以保持同步。幀結(jié)束 (EOF) 表示 CAN 消息的結(jié)束，為 7 位寬，用于檢測(cè)位填充錯(cuò)誤。CAN 消息的一部分是幀間空間 (IFS)，用作時(shí)間延遲。該時(shí)間延遲正是 CAN 控制器將接收到的消息移至緩沖區(qū)以進(jìn)行進(jìn)一步處理所需的時(shí)間量。
　　擴(kuò)展CAN

　　擴(kuò)展 CAN 使用 29 位標(biāo)識(shí)符以及一些附加位。擴(kuò)展消息在 11 位標(biāo)識(shí)符后面有一個(gè)替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求 (SRR) 位，它充當(dāng)占位符以保持與標(biāo)準(zhǔn) CAN 相同的結(jié)構(gòu)。這次標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展（IDE）應(yīng)該是隱性的，表示后面跟著擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符。RTR 位位于 18 位 ID 之后，后面是第二個(gè)保留位 r1。消息的其余部分保持不變。

　　圖 4.擴(kuò)展 CAN 消息幀
　　CAN 消息類型
　　現(xiàn)在您已經(jīng)了解了 CAN 消息的樣子，您可能想知道總線上傳遞的消息類型。CAN 允許四種不同的消息類型。它們是數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、過(guò)載幀和錯(cuò)誤幀。
　　標(biāo)準(zhǔn) CAN 數(shù)據(jù)幀使用標(biāo)識(shí)符、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)和確認(rèn)位。RTR 和IDE 位在數(shù)據(jù)幀中均占主導(dǎo)地位。如果接收端的隱性確認(rèn)位被顯性位覆蓋，則發(fā)送器和接收器都認(rèn)為這是成功的傳輸。
　　CAN 遠(yuǎn)程幀看起來(lái)與數(shù)據(jù)幀類似，只是它不包含任何數(shù)據(jù)。發(fā)送時(shí)RTR位處于隱性狀態(tài)；這表明它是一個(gè)遠(yuǎn)程幀。遠(yuǎn)程幀用于從節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)。
　　當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到 CAN 總線上的消息中存在錯(cuò)誤時(shí)，它會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤幀。這會(huì)導(dǎo)致所有其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送錯(cuò)誤幀。此后，發(fā)生錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)重新傳輸該消息。過(guò)載幀的工作原理類似，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收幀的速度快于處理幀的速度時(shí)使用。該幀提供了時(shí)間緩沖區(qū)，以便節(jié)點(diǎn)可以趕上。
　　總線仲裁和信令
　　CAN 是一種 CSMA/CD 協(xié)議，這意味著總線上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以檢測(cè)沖突并在嘗試重新傳輸之前后退一定時(shí)間。這種沖突檢測(cè)是通過(guò)基于消息標(biāo)識(shí)符的優(yōu)先級(jí)仲裁來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在討論仲裁之前，讓我們仔細(xì)看看 CAN 總線上使用的顯性位和隱性位。
　　倒置邏輯

　　CAN 總線的一個(gè)有趣的方面是它使用具有兩種狀態(tài)（顯性狀態(tài)和隱性狀態(tài)）的反轉(zhuǎn)邏輯形式。下面的圖 5 顯示了 CAN 收發(fā)器輸出和輸入的簡(jiǎn)化版本?！?01”比特流來(lái)自/去往 CAN 控制器和/或微控制器。請(qǐng)注意，當(dāng)控制器發(fā)送位流時(shí)，這些位流會(huì)被補(bǔ)充并放置在 CANH 線上。CANL 線始終是 CANH 的補(bǔ)充。為了使仲裁發(fā)揮作用，CAN 設(shè)備必須監(jiān)視它正在發(fā)送的內(nèi)容以及當(dāng)前總線上的內(nèi)容（即它正在接收的內(nèi)容）。

　　圖 5. CAN 輸出/輸入
　　圖 6 同時(shí)顯示了 CANH 和 CANL 信號(hào)，以便您可以看到 CAN 總線的運(yùn)行情況?？偩€信號(hào)下方繪制的是與 CAN 信號(hào)的顯性和隱性狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的差分電壓。時(shí)間上的前三個(gè)段 t1–t3 被繪制為與圖 5 中所示的三個(gè)位相匹配。我們將從輸出驅(qū)動(dòng)器的角度來(lái)看待這一點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)器的輸入初看到“1”，并將其補(bǔ)為零，然后將其放置在 CANH 上。CANL 看到 CANH 的補(bǔ)碼并走高。這如圖 6 中的 t1 所示。請(qǐng)注意，CANH 和 CANL 電壓彼此偏移。在時(shí)間 t1 期間，CANH – CANL 非常接近于零，因?yàn)?CANH 和 CANL 的電壓幾乎相同。在此期間，驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送邏輯“1”

　　發(fā)送的下一位是“0”。CANH 得到其補(bǔ)碼，CANL 再次得到 CANH 的補(bǔ)碼。請(qǐng)注意，這次 CANH 和 CANL 電壓并不接近。因此，差分電壓（VDIFF）較大。這是 CAN 主導(dǎo)狀態(tài)。我們說(shuō)邏輯是顛倒的，因?yàn)椤?”使總線處于低電平，而“0”則使總線處于高電平。輸入接收器以類似的方式工作。

　　圖 6.顯示具有差分電壓的 CAN 隱性和顯性狀態(tài)
　　優(yōu)先仲裁
　　正如前面提到的，11 位標(biāo)識(shí)符越小，消息的優(yōu)先級(jí)就越高。節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)拿恳晃欢紩?huì)受到監(jiān)控。這就是節(jié)點(diǎn)檢測(cè)總線上正在放置更高優(yōu)先級(jí)消息的方式。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送隱性位但在總線上檢測(cè)到顯性位時(shí)，它就會(huì)后退。這稱為非破壞性仲裁，因?yàn)閯俪龅南⒗^續(xù)傳輸，沒有任何問(wèn)題。請(qǐng)注意，隱性邏輯“1”輸給了顯性邏輯“0”。這是有道理的，因?yàn)檩^低的標(biāo)識(shí)符值代表較高的優(yōu)先級(jí)。為了更好地了解這意味著什么，請(qǐng)查看圖 7，其中顯示了 CAN 總線上嘗試控制的三個(gè)節(jié)點(diǎn)。重要的是要記住，每次顯示隱性位時(shí)，控制器都會(huì)發(fā)送“1”，
　　節(jié)點(diǎn) 1-3 都在發(fā)送比特流。該位流代表消息標(biāo)識(shí)符及其優(yōu)先級(jí)。首先，所有三個(gè)節(jié)點(diǎn)均發(fā)送“1”，該值在 CAN 總線上表示為隱性位。接下來(lái)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送“0”或顯性位。總線上放置的第三位是另一個(gè)“1”，或隱性位。此時(shí)，沒有一個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到與總線上的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)有任何沖突，因此它們繼續(xù)傳輸。

　　對(duì)于第四位，節(jié)點(diǎn) 1 發(fā)送“0”或顯性位。節(jié)點(diǎn) 2 傳輸隱性位，但檢測(cè)總線上的顯性位。它立即后退，知道當(dāng)前正在發(fā)送更高優(yōu)先級(jí)的消息。節(jié)點(diǎn) 3 繼續(xù)發(fā)送，因?yàn)樗x回了與發(fā)送的相同的顯性位。當(dāng)?shù)谖逦槐环胖迷诳偩€上時(shí)，節(jié)點(diǎn) 3 就會(huì)識(shí)別出它的優(yōu)先級(jí)較低并停止傳輸。節(jié)點(diǎn) 2 和節(jié)點(diǎn) 3 都會(huì)等待一定時(shí)間，然后再次嘗試。如圖 7 的右半部分所示，節(jié)點(diǎn) 3 贏得了仲裁。正如您所看到的，與較低消息標(biāo)識(shí)符相對(duì)應(yīng)的邏輯“0”顯性位允許進(jìn)行仲裁。

　　圖 7.采用差分電壓的 CAN 總線仲裁