Controller Area Network
CAN
A Serial Bus System - Not Just For Vehicles
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The need for serial communication in vehicles
Many vehicles already have a large number of electronic control systems. The growth of automotive electronics is the result partly of the customerlsquo;s wish for better safety and greater comfort and partly of the governmentlsquo;s requirements for improved emission control and reduced fuel consumption. Control devices that meet these requirements have been in use for some time in the area of engine timing, gearbox and carburetor throttle control and in anti-block systems (ABS) and acceleration skid control (ASC).
The complexity of the functions implemented in these systems necessitates an exchange of data between them. With conventional systems, data is exchanged by means of dedicated signal lines, but this is becoming increasingly difficult and expensive as control functions become ever more complex. In the case of complex control systems (such as Motronic) in particular, the number of connections cannot be increased much further.
Moreover, a number of systems are being developed which implement functions covering more than one control device. For instance, ASC requires the interplay of engine timing and carburetor control in order to reduce torque when drive wheel slippage occurs. Another example of functions spanning more than one control unit is electronic gearbox control, where ease of gear changing can be improved by a brief adjustment to ignition timing.
If we also consider future developments aimed at overall vehicle optimization, it becomes necessary to overcome the limitations of conventional control device linkage. This can only be done by networking the system components using a serial data bus system. Bosch developed a system for this purpose, the “Controller Area Network” (CAN), which has since been standardized internationally (ISO 11898) and has been “cast in silicon” by several semiconductor manufacturers.
Using CAN, peer stations (controllers, sensors and actuators) are connected via a serial bus. The bus itself is a symmetric or asymmetric two wire circuit, which can be either screened or unscreened. The electrical parameters of the physical transmission are also specified in ISO 11898. Suitable bus driver chips are available from a number of manufacturers.
The CAN protocol, which corresponds to the data link layer in the ISO/OSI reference model, meets the real-time requirements of automotive applications. Unlike cable trees, the network protocol detects and corrects transmission errors caused by electromagnetic interference. Additional advantages of such a network are the easy configurability of the overall system and the possibility of central diagnosis.
The purpose of using CAN in vehicles is to enable any station to communicate with any other without putting too great a load on the controller computer.
Use of the CAN network in vehicles
There are four main applications for serial communication in vehicles, each having different requirements and objectives.
- Networking controllers for engine timing, transmission, chassis and brakes. The data rates are in the range - typical of real-time systems of 200 kbit/s to 1 Mbit/s.
- Networking components of chassis electronics and electronics which make the vehicle more comfortable. Examples of such multiplex applications are lighting control, air-conditioning, and central locking and seat and mirror adjustment. Particular importance has to be attached here to the cost of the components and wiring requirements. Typical data rates are around 50 kbit/s.
- In the near future, serial communication will also be used in the field of mobile communication in order to link components such as car radios, car telephones, navigation aids etc. to a central, ergonomically designed control panel. The functions defined in the Prometheus project, such as vehicle-to-vehicle and vehicle-to-infrastructure communication will depend to a large extent on serial communication.
- At present, CAN is used for the first three applications, but for diagnosis the preferred solution is an interface according to ISO 9141.
Industrial applications of the CAN network
A comparison of the requirements for vehicle bus systems and industrial field bus systems shows amazing similarities: low cost, operability in a harsh electrical environment, high real-time capabilities and ease of use are equally desirable in both sectors.
The standard use of CAN in Mercedes-Benzlsquo;s ”S” Class and the adoption of CAN by US commercial vehicle manufacturers for fast transmissions (up to 1 Mbit/s) has made industrial users prick up their ears. Not only manufacturers of mobile and stationary agricultural and nautical machinery and equipment have chosen to use CAN, it has also been the choice of manufacturers of medical apparatus, textile machines, and special-purpose machinery and elevator controls. The serial bus system is particularly well suited to networking”intelligent” I/O devices as well as sensors and actuators within a machine or plant.
The textile machinery industry is one of the pioneers of CAN. One manufacturer equipped his looms with modular control systems communicating in real time via CAN networks as early as 1990. In the meantime several textile machinery manufacturers have joined together to form the ”CAN Textile Users Group”, which in turn is a member of the international users and manufacturers group ”CAN in Automation”. Similar requirements to those of the textile machinery are to be found in packaging machinery a
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控制器局域网
CAN
串行总线系统 - 不仅适用于车辆
需要在车辆中进行串行通信
许多车辆已经拥有大量的电子控制系统。汽车电子产品的增长部分是由于客户希望获得更好的安全性和更大的舒适度，部分原因是政府对改善排放控制和降低燃料消耗的要求。满足这些要求的控制装置在发动机正时，齿轮箱和化油器节气门控制以及防块系统（ABS）和加速滑移控制（ASC）领域已经使用了一段时间。
在这些系统中实现的功能的复杂性使得它们之间的数据交换成为可能。使用传统的系统，通过专用信号线来交换数据，但随着控制功能变得越来越复杂，这变得越来越困难和昂贵。在复杂控制系统（如Motronic）的情况下，连接数不能进一步增加。
此外，正在开发一些实现覆盖多个控制设备的功能的系统。例如，ASC需要发动机定时和化油器控制的相互作用，以便在驱动轮打滑发生时减小扭矩。跨越多个控制单元的功能的另一个例子是电子变速箱控制，其中可以通过对点火正时的短暂调整来改善齿轮变化的容易程度。
如果我们还考虑到将来整车优化的未来发展，有必要克服常规控制装置联动的局限性。这只能通过使用串行数据总线系统连接系统组件来完成。博世为此开发了一种系统，即“控制器局域网”（CAN），其已经在国际上被标准化（ISO 11898），并被几家半导体制造商“投入硅”。
使用CAN，对等站（控制器，传感器和执行器）通过串行总线连接。总线本身是对称或不对称的双线电路，可以被屏蔽或非屏蔽。物理传输的电气参数也在ISO 11898中规定。合适的总线驱动器芯片可从许多制造商获得。
CAN协议对应于ISO / OSI参考模型中的数据链路层，满足汽车应用的实时要求。与电缆树不同，网络协议检测并纠正由电磁干扰引起的传输错误。这种网络的其他优点是整个系统的易配置性和中央诊断的可能性。
在车辆中使用CAN的目的是使任何车站能够与任何其他车站通信，而不会对控制器计算机造成太大的负担。
在车辆中使用CAN网络
车辆中串行通信有四个主要应用，每个都有不同的要求和目标。
- 用于发动机定时，变速器，底盘和制动器的网络控制器。数据速率在200 kbit / s到1 Mbit / s的实时系统的典型范围内。
- 机箱电子和电子设备的网络组件，使车辆更舒适。这种多重应用的示例是照明控制，空调和中央锁定以及座椅和镜子调节。必须特别重视组件和接线要求的成本。典型数据速率约为50 kbit / s。
- 在不久的将来，串行通信也将用于移动通信领域，以将诸如汽车无线电，汽车电话，导航辅助等的组件与中央的，符合人体工程学设计的控制面板相连接。普罗米修斯计划中定义的功能，如车对车和基建通信，在很大程度上取决于串行通信。
- 目前，CAN用于前三种应用，但是对于诊断，首选解决方案是根据ISO 9141的接口。
CAN网络的工业应用
车辆总线系统和工业现场总线系统的要求比较显示出惊人的相似之处：低成本，恶劣的电气环境中的可操作性，高实时性和易用性在两个部门同样是可取的。
梅赛德斯 - 奔驰“S”级的标准使用CAN，以及美国商用车辆制造商采用CAN（快速传输（高达1Mbit / s））的方式，使得工业用户倍感耳目一新。移动和固定农业和航海机械设备制造商不仅选择使用CAN，而且还是医疗器械，纺织机械和专用机械和电梯控制的制造商的选择。串行总线系统特别适用于在机器或工厂内组合“智能”I / O设备以及传感器和执行器。
纺织机械行业是CAN的先驱之一。一家制造商为其织机提供了模块化控制系统，早在1990年就通过CAN网络实时通信。同时，几家纺织机械制造商共同组建了“CAN纺织品用户群体”，后者又是国际上的成员用户和制造商组“CAN in Automation”。纺织机械的类似要求可以在纸张制造和加工的包装机械和机械设备中找到。
在美国，一些企业正在生产线和机床中使用CAN作为线路或机器内的网络传感器和执行器的内部总线系统。一些用户，如医疗工程部门，决定赞成CAN，因为他们有特别严格的安全要求。机械和设备的其他制造商面临着与安全方面有特殊要求（例如机器人和运输系统）相似的问题。
除了高传输可靠性外，每个站的低连接成本是CAN的另一个决定性论据。在价格至关重要的应用中，CAN芯片可以从各种制造商获得至关重要。其他控制器芯片的紧凑性也是一个重要的论据，
CAN网络的功能如何
数据交换原理
当通过CAN传输数据时，不寻址站，而是通过整个网络中唯一的标识符来指定消息的内容（例如，rpm或引擎温度）。该标识符不仅定义了内容，而且还定义了消息的优先级。这对于公共汽车分配很重要，当几个车站竞争总线访问。
如果给定站的CPU希望向一个或多个站发送消息，则将要发送的数据及其标识符传递给所分配的CAN芯片（“准备就绪”）。这是所有的CPU都要做的，以启动数据交换。该消息由CAN芯片构造和传输。一旦CAN芯片接收到总线分配（“发送消息”），CAN网络上的所有其他站就成为该消息的接收者（“接收消息”）。已经收到消息的CAN网络中的每个站都进行验收测试，以确定接收到的数据是否与该站相关（“选择”）。如果数据对于所涉及的站点是有意义的，则它们被处理（“接受”），否则被忽略。
作为内容定向寻址方案的结果，实现了高度的系统和配置灵活性。只要新台站纯粹是接收机，就可以很容易地向现有的CAN网络添加站点，而无需对现有站点进行任何硬件或软件修改。由于数据传输协议不需要各个组件的物理目标地址，它支持模块化电子设备的概念，并且还允许多个接收（广播，
CAN节点广播传输和验收过滤
2.无损点位仲裁原则
非破坏性的逐位仲裁：
对于要实时处理的数据，必须快速传输。这不仅需要高达1Mbit / s的物理数据传输路径，而且还要求在几个站希望同时发送消息时快速总线分配。
在实时处理中，通过网络交换的消息的紧迫性可能会有很大的不同：快速变化的维度（例如，发动机负载）必须更频繁地传输，因此与其它尺寸（例如发动机温度）相比变化较小的延迟较少慢慢地 与另一个较不紧急的消息相比，传送消息的优先级由相关消息的标识符指定。在系统设计中以对应二进制值的形式确定优先级，不能动态更改。具有最低二进制数的标识符具有最高优先级。
总线访问冲突通过逐位仲裁来解决，每个站点所涉及的标识符观察总线位位。根据“有线和”机制，主导状态（逻辑0）覆盖隐性状态（逻辑1），所有这些具有隐性传输和主观观测站的总线分配竞争丧失。所有“输家”自动成为具有最高优先级的消息的接收者，并且不再重新尝试传输，直到总线再次可用。根据“有线和”机制，主导状态（逻辑0）覆盖隐性状态（逻辑1），所有这些具有隐性传输和主观观测站的总线分配竞争丧失。所有“输家”自动成为具有最高优先级的消息的接收者，并且不再重新尝试传输，直到总线再次可用。根据“有线和”机制，主导状态（逻辑0）覆盖隐性状态（逻辑1），所有这些具有隐性传输和主观观测站的总线分配竞争丧失。所有“输家”自动成为具有最高优先级的消息的接收者，并且不再重新尝试传输，直到总线再次可用。
公交分配效率：
总线分配系统的效率主要由串行总线系统的可能应用决定。为了简单地判断哪些总线系统适用于哪些应用，文献包括对总线分配程序进行分类的方法。通常我们区分以下类别：
- 按固定时间表分配。 无论该参与者是否在此时间内需要总线（例如：令牌槽或令牌通过），均按照最大持续时间对每个参与者进行分配。
- 总线配置在需求的基础上。 总线根据传输请求分配给一个参与者，即分配系统仅考虑希望传输的参与者（例如：CSMA，CSMA / CD，飞行主控，循环或逐位仲裁）。对于CAN，总线分配纯粹在等待发送的消息之间进行协商。这意味着CAN指定的程序根据需要分类为分配。
评估总线仲裁系统效率的另一种方法是总线访问方式：
- 非破坏性的巴士接入。 使用这种方法，在单个总线访问（由一个或多个站）之后，总线被立即或在指定时间内分配给一个站和仅一个站。这确保一个或多个站的每个总线访问导致明确的总线分配（例如：令牌槽，令牌通过，循环，逐位仲裁。
- 破坏性公交车配置。 由多个站同时进行总线访问会导致所有传输尝试被中止，因此没有成功的总线分配。为了完全分配总线，可能需要多于一个总线访问，总线分配成功之前的尝试次数是纯统计量（例如：CSMA / CD，以太网）。
为了处理CAN网络的所有发送请求，尽可能地遵循尽可能低的数据传输速率的等待时间约束，CAN协议必须实现一种总线分配方法，即使在同时存在总线时总是有明确的总线分配来自不同电台的访问
使用要发送的消息的标识符的逐位仲裁的方法唯一地解决了想要发送的多个站之间的任何冲突，并且它最迟在13（标准格式）或33（扩展格式）位周期内对于任何公共汽车通行时间。与CSMA / CD方法采用的消息式仲裁不同，这种非破坏性的冲突解决方法确保在不传输有用信息的情况下不使用总线容量。
即使在总线超载的情况下，与现有CSMA / CD或令牌协议相比，总线访问优先级与消息内容的链接也证明是有益的系统属性：尽管总线传输容量不足，但所有未完成的传输请求按其对整个系统的重要性（由消息优先级确定）的顺序进行处理。
由于总线分配中的“间隙”保持非常小，所以可用的传输容量被有效地用于传输有用的数据。由于CSMA / CD协议可能发生的过载的整个传输系统的崩溃是不可能的， CAN可以实现快速，由于基于所采用的消息优先级的逐位仲裁，因此业务相关总线访问是非破坏性的。
非破坏性公共汽车接入可进一步分为：
- 集中总线访问控制和
- 分布式总线访问控制
这取决于控制机制是否仅在系统中存在一次（集中式）或多于一次（分散））。
具有指定站（特别是用于集中式总线访问控制）的通信系统必须提供在主站故障的情况下生效的策略。这个概念的缺点在于，故障管理策略难以执行，而且由冗余站接管中心站可能非常耗时。
由于这些原因，为了规避主站（因此整个通信系统）的可靠性问题，CAN协议实现分散式总线控制。所有主要的通信机制，包括总线访问控制，都在系统中多次实现，因为这是实现通信系统可用性的高要求的唯一方法。
总而言之，可以说，CAN实现了一种依赖于流量的总线分配系统，该系统允许通过分散总线访问控制的非破坏性总线访问以最低可能的总线数据速率在所有车站的总线忙碌率。总线仲裁程序的效率由于总线仅由具有未决传输请求的那些站点使用而增加。
这些请求按照整个系统的消息重要性的顺序进行处理。这证明在过载情况下特别有利。由于基于消息优先考虑总线访问，
3.标准格式的消息帧（CAN规范2.0A）
消息帧格式。
CAN协议支持两种消息帧格式，唯一的区别在于标识符（ID）的长度。在标准格式中，ID的长度为11位，扩展格式的长度为29位。用于在总线上发送消息的消息帧包括七个主要字段。
标准格式的消息以起始位“帧开始”开始，后面是“仲裁字段”，其中包含标识符和“RTR”（远程传输请求）位，它指示是否为数据帧或没有任何数据字节（远程帧）的请求帧。
“控制字段”包含IDE（标识符扩展）位，表示标准格式或扩展格式，一个保留用于将来的扩展，并在最后4位 - 数据字段中数据字节的计数。
“数据字段”的长度为0至8字节，后跟“CRC字段”，用作检测位错误的帧安全检查。
“ACK字段”包括ACK时隙（1位）和ACK定界符（1个隐性位），ACK时隙中的位作为隐性位发送，并被这些接收器覆盖为主位时间正确接收数据（肯定确认），无论接收测试结果如何，接收机确认正确的消息，消息的结尾用“帧结束”表示。“中断”是分隔连续消息的最小位周期数。
检测和信令错误。
与其他总线系统不同，CAN协议不使用确认消息，而是发出任何发生的错误。对于错误检测，CAN协议在消息级别实现三种机制：
-
循环冗余校验（CRC） CRC通过在传输端添加冗余校验位来保护帧中的信息。在接收端，这些位根据
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