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CAN协议介绍

CAN协议是参考ISO/OSI的7层协议模式而做定义的，但因它主要是用来传送简短且简单的信号，而且是一封闭性的系统，并不需要负责系统的安全、产生用户接口的数据，以及监控网络的登入等动作，因此只涉及了实体层和数据链接层的定义。

1、实体层规范特性

实体层负责的是网络中节点与节点之间的连结，以及在铜线、同轴缆线、光纤，甚至是无线信号的实际电性脉冲传送。传送器的实体层会把从数据链接层来的数据转换为电子信息，再传送出去；在接收端，实体层将这些电子信息传换为数据格式，再传送到数据链接层。

在一个网络系统中，要确保各个节点之间能够顺利地沟通，先决条件是每个节点的实体层特性必须是相同的，而CAN实体层的作用就在于规范位表示法、位时序及同步性，通常还包括脚位连接器和接线的型式。CAN由两条序列总线（CAN_H和CAN_L）实时传输数据，传输速率可高达1Mb/s。理论上，每个CAN总线最多可连结2032个节点，但受限于收发器的功能，实际运用上最多大约可连结100个节点，而在一般的运用上则大约是连结3～10个节点。CAN实体层示意图如图2所示。

图2 CAN实体层架构示意图

2、数据链接层规范特性：总线仲裁

CAN数据链接层可以说是CAN功能的核心，其目的在于建立数据信框封包，在信框内包含数据和控制数据。数据链接层的主要功能之一，就是当系统中出现两个信号同时想使用网络中的相同资源时，如何防止冲突的发生。这就是所谓MAC（Medium Access Control）功能。在CAN协议中，MAC功能会让具有最高优先权的数据信框优先使用总线的网络资源，此机制对于网络效能的影响很大。

在网络的接取控制上有两大方向，即先决式和随机式。在先决式的接取控制中，总线的使用权必须在节点接取总线前就预先定义好了，以确保不会发生任何冲突。此类网络需要一个中央管控装置来进行网络管理，但一旦此装置失常，整个网络就无法运作；也有非中心化的架构，但相对会复杂许多。

在随机式接取控制中，当总线闲置时，每个节点都能够要求使用网络资源。最常见的随机式接取控制方式是载波侦测多重存取（Carrier Sense Multiple Access，CSMA），CSMA又分成限制或防止信号碰撞的CSMA/CA方式和允许碰撞再进行处置的CSMA/CD方式。由于CSMA/CD较浪费频宽资源及会产生较长的延迟性，因此CAN采用的是CSMA/CA的方式，此作法又称为非破坏性的按位仲裁机制。

CAN协议让优先权较高的信号先接取使用总线资源，在每个信号信框的一开始处就存在仲裁域，仲裁域中有一个识别码，识别码的数值越小，表示其优先权限越高。此作法能有效地利用总线资源，其具有最高优先权的信号，最大的延迟时间大约只有150ms。

在CAN的2.0A标准中，一开始定义识别码的长度为11位，后来因市场的需求又提出了延伸性的2.0B版本。2.0B的格式通常被称为延伸性CAN，它允许29位的识别码，而且有主动及被动式两种：2.0B主动，也就是能收、发延伸信框的节点；以及2.0B被动，它会放弃掉接收到的延伸信框。2.0B的29位识别码能够提供51200万个独特的信号及优先等级，足以满足来自越来越多节点的大量存取要求。

三、数据链接层规范特性：信框格式

所谓的信框即包含由传送器送出的完整信号的数据封包。在CAN协议中具有4种信框，即数据信框、远程信框、误码信框及额外负载信框。以下主要介绍数据信框的组成。

数据信框包含了识别码和各种控制信息，以及最多8字节的数据。其基本组成包括：信框开始、仲裁域（又包括识别码和RTR）、控制域（又包括IDE、r0和数据长度码）、数据域、循环冗余码检验域、确认域，以及信框终点等，如图3所示。

图3 延伸型CAN的数据信框组成架构

其中控制信息是用来识别信框，决定对总线的使用，以及进行误码侦测。控制信息的另一项主要功能，就在于能够分辨出某一信号是否已损毁了。当数据在任何网络中传送时，随机性的误码是很常见的，所以数据链接层的重要任务之一，就是要限制这类错误的发生。

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关键词： CAN总线 技术规范 控制器类型