CAN bus measurement and control technology and its application

Controller Area Network (CAN) is mainly used for various process monitoring and control CAN was originally designed for the monitoring and control of automobiles by Bosch in Germany. However, due to the outstanding characteristics of CAN itself, its application field is no longer confined to the automotive industry, but to the process industry, machinery industry, robotics, CNC machine tools, Medical equipment and weapons and equipment, and other fields Due to its high performance, high reliability and unique design, CAN has become one of the mainstream technologies of industrial data communication, and formed the international standard (ISO 11898).

CAN Bus Technology and Its Protocol Specification

Since CAN is being adopted and promoted in more and more fields, standardization of communication messages in different fields is required. To this end, PhilipsSemiconductors in 1991 to develop and publish the CAN bus specification (Version2.0), divided into two parts: 2.0A has given in the 1.2 version of the CAN message format defined in the format, the standard format; 2.0B Both standard and extended message formats are given. In November 1993, ISO officially promulgated the International Standard (CAN) for high-speed communication controller (CAN), a road traffic vehicle-digital information exchange (CAN), which lays the foundation for the standardization and standardization of CAN.

Due to its high communication speed, good reliability and low price, CAN is no longer confined to the traditional automobile industry, but is applied to railway, weaponry and general industrial automation.

The purpose of the CAN bus specification is to establish compatibility between any two CAN nodes. At present, each companys CAN controller supports CAN2.0B version protocol specification, and has downward compatibility.

CAN bus system structure

CAN bus potential A serial multi-master controller LAN bus, is also an effective support for distributed control or real-time control of serial communication network. CAN bus communication medium can be twisted pair, coaxial cable or optical fiber, communication rate up to 1Mbit / s (cable length 40cm), communication distance of up to 10km (communication rate of 5kbit / s). CAN bus system components, topological systems and transmission media are as follows.

CAN bus system components

CAN hardware costs on a great advantage, from the hardware chip, the intelligent node to send and receive information needs of a CAN controller and a CAN transceiver. After 20 years of development, CAN has been the major international semiconductor manufacturers to support people, according to CANs main promotion organization CIA statistics, there are already more than 20 kinds of CAN controllers and transceivers to choose from, on-chip Integrated CAN controller more than 100 kinds of single-chip. CAN in the development cost advantage is also very obvious. At present, from the widely used 8bit / 16bit microcontroller, to the DSP and 32bitPowerPC, ARM and other embedded processors, both within the chip with CAN bus hardware interface unit. Therefore, from the hardware point of view, CAN bus development platform is also relatively simple, if you choose an ordinary microcontroller with CAN controller for development, CAN development platform and the development platform for ordinary single-chip exactly the same. If you choose to have an on-chip CAN controller microcontroller development, as long as the use of support for the microcontroller can be the emulator, and other development devices are identical. The development of CAN also requires the appropriate driver. The user can develop the driver according to the selected CAN controller.

CAN bus transmission medium

CAN bus can use a variety of transmission media, commonly used, such as twisted pair, coaxial cable, optical fiber, the same section of the CAN bus network invites the same transmission medium. Based on the twisted pair CAN bus distribution system has been widely used, ISO 11898 recommended cables and parameters, the main features are as follows:

1 twisted pair using anti-jamming differential signal transmission

2 technically easy to achieve, low cost

3 on the environment of electromagnetic radiation have a certain ability to suppress

4 When using unshielded twisted pair cable, only two cables are needed for differential signal transmission

5 When using shielded twisted-pair cable, in addition to the need for two differential signal line connection, but also pay attention to the same network segment in the single-point shield grounding problem.

When using twisted-pair to build CAN bus network, should pay attention to the following questions:

1 Trunk must have a terminating resistance of about 120 ohms at each end

2 lines must be as short as possible, if necessary, can be hand in hand with the connection scheme, that trunk as close as possible to each node

3 CAN bus network cable should not be arranged near the interference source

4 in the outside world, a large area of interference, CAN bus shielded twisted pair can be used

5 The resistance of the cable used must be small enough to avoid excessive line drop

6 Baud rate depends on the transmission line delay, CAN bus communication distance with the baud rate decreases.

CAN bus message frame structure

1 Data frame: Data frame transfers data from the transmitter to the receiver

2 remote frame: the bus node sends a remote frame, request to send a data frame with the same identifier

3 Error frame: Any node detects a bus error and issues an error frame

4 Overload frame: The overload frame is used to provide an additional delay between the leading and subsequent data frames

The frame structure of the CAN bus is as follows:

1 CAN1.2 defines the st

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CAN总线测控技术及其应用

控制器局域网络（CAN）主要用于各种过程监测及控制。CAN最初是由德国的Bosch公司为汽车的监测与控制设计的，但由于CAN本身的突出特点，其应用领域目前已不再局限于汽车行业，而向过程工业，机械工业，机器人，数控机床，医疗器械和武器装备等领域发展。由于其高性能，高可靠性及独特的设计，CAN已成为工业数据通信的主流技术之一，并形成了国际标准（ISO 11898）。

CAN总线技术及其协议规范概述

由于CAN被越来越多的领域采用和推广，从而要求不同领域通信报文标准化。为此，PhilipsSemiconductors于1991年制定并发布了CAN总线技术规范（Version2.0），分为两部分：2.0A给出了曾在1.2版规范中定义的CAN报文格式，即标准格式；2.0B给出了标准和扩展的两种报文格式。1993年11月，ISO正式颁布了道路交通运载工具-数字信息交换-高速通信控制器局域网（CAN）国际标准（ISO 11898），为控制器局域网CAN的标准化，规范化推广鉴定了基础。

CAN由于通信速率高，可靠性好以及价格低等特点，使其应用领域已不再局限于传统汽车行业，而向铁路，武器装备和一般工业自动化领域发展。

CAN总线技术规范的目的是为了在任何两个CAN节点之间建立兼容性。目前各个公司生产的CAN控制器都支持CAN2.0B版本协议规范，且具有向下兼容性。·

CAN总线的系统构成

CAN总线势一种串行多主站控制器局域网总线，也是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线的通信介质可以是双绞线，同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbit/s(电缆长度40cm),通信距离可达10km（通信速率为5kbit/s）。CAN总线的系统组成，拓扑系统和传输介质。

CAN总线的系统组成

CAN在硬件成本上具有很大优势，从硬件芯片上来说，智能节点要收发信息需要一个CAN控制器和一个CAN收发器。经过20多年的发展，CAN已经获得了国际上各大半导体制造商的大力支持人，据CAN最主要的推广组织CIA统计，目前已经有20余种CAN控制器和收发器可供选择，片内集成CAN控制器的单片机更多达100多种。CAN在开发成本上的优势也很有明显。目前，从广泛应用的8bit/16bit单片机，到DSP和32bit的PowerPC,ARM等嵌入式处理器，均在芯片内部含有CAN总线硬件接口单元。因此，从硬件角度来看，CAN总线的开发平台也比较简单，用户如果选择普通单片机加上CAN控制器进行开发，CAN的开发平台和普通单片机的开发平台完全相同。如果选择带有片内CAN控制器的单片机进行开发，则只要换用支持该单片机的仿真器就可以了，其他开发设备完全相同。开发CAN也需要相应的驱动程序。用户可以自行根据选择的CAN控制器开发驱动程序。

CAN总线的传输介质

CAN总线可使用多种传输介质，常用的如双绞线，同轴电缆，光纤等，同一段CAN总线网络邀采用相同的传输介质。基于双绞线的CAN总线分布系统已得到广泛应用，ISO 11898推荐电缆及参数，其主要特点如下：

1双绞线采用抗干扰的差分信号传输方式

2技术上易实现，造价低

3对环境电磁辐射有一定抑制能力

4使用非屏蔽双绞线时，只需要2根线缆作为差分信号线传输

5使用屏蔽双绞线时，除需要2根差分信号线的连接以外，还要注意在同一网络段中的屏蔽层单点接地问题。

在使用双绞线搭建CAN总线网络时，应注意以下问题：

1干线两端必须各有一个约120欧姆的终端电阻

2支线必须尽可能地短，必要时可以采用手拉手的连接方案，即干线尽可能地接近每个节点

3CAN总线网络线不要布置在干扰源附近

4在外界干扰较大的场所，CAN总线可采用带屏蔽层的双绞线

5使用的电缆的电阻必须足够小，以避免线路压降过大

6波特率的选择取决于传输线的延时，CAN总线的通信距离随着波特率的减小而增加。

CAN总线报文的帧结构

1数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器

2远程帧：总线节点发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧

3错误帧：任何节点检测到总线错误就发出错误帧

4超载帧：超载帧用以在先行的和后续的数据帧之间提供一附加的延时

CAN总线的帧结构如下:

1CAN1.2定义的报文为标准格式

2CAN2.0A定义的报文为标准格式

3CAN2.0B定义了标准和扩展的两种报文格式，只有数据帧和远程帧可以使用标准帧和扩展帧两种格式，其主要区别在于标识符的长度，具有11bit标识符的帧称为标准帧，而包括29bit标识符的帧称为扩展帧。

数据帧

数据帧由7个不同的位场组成：帧起始，仲裁场，控制场，数据场，CRC场，应答场，帧结束。数据场的长度为0。

1帧起始

帧起始标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个“显性”位组长。只有在总线空闲时才允许节点开始发送。所有节点必须同步于首先开始发送报文的节点的帧起始前沿。

2仲裁场

标准帧的仲裁场由11bitID和RTR位组成。11bit标识符按ID.10到ID.0的顺序发送，RTR位在数据帧中为显性，在远程帧中为隐性。

扩展帧的仲裁场由11bit基本ID，SRR位，IDE位，18bit扩展ID和RTR位组成，扩展帧的基本ID如同标准帧的标志帧的标识符。其SRR是一隐性位，它在相当于标准帧的RTR位上被发送，并代替标准帧的RTR位。这样，标准帧与扩展帧的冲突通过标准帧优先于扩展帧这一途径得以解决。对于IDE，在扩展格式中它属于仲裁场，为隐形，在标准格式中它属于控制场，为显性。因此，通过SRR和IDE位共同确定，是标准帧还是扩展帧，并通过RTR位确定是否为远程帧。

3控制场

控制场由6个位组成，标准格式的控制场由IDE位，保留位r0和DLC组成，扩展格式里是r1和r0两个保留位。其保留位发送必须为显性，但接收器对显性和隐性都认可。

4数据场

数据场由数据帧里的发送数据组成。它可以为0~8B,每个字节包括了8个位，首先发送最高有效位。

5应答场

应答场的长度为2个位，由ACK间隙和ACK界定符组成，在应答场里，发送站发送两个隐性位。所有接收到匹配CRC序列的站，在ACK间隙期间，用一显性位写入发送器的隐性位来做出回答。

ACK界定符是一个隐性位。ACK间隙被CRC界定符和ACK界定符两个隐性位所包围。

6帧结束场

每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定，该标志序列由7个隐性位组成。

远程帧

作为接收器的站点，可以通过向相应的数据源站点发送远程帧激活该源站点，让该源站点把数据发送给接收器。远程帧由6个位场组成：帧起始场，仲裁场，控制场，CRC场，应答场，帧结束场。

与数据帧不同之处在于，远程帧的RTR位是隐位，没有数据场，数据长度码的值可以是请求的数据的长度值。

错误帧

错误帧由错误标志叠加场和错误帧届定符组成。

错误标志分为“错误激活”标志和“错误认可”标志。“错误激活”标志由6个连续的显位组成，“错误认可”标志由6个连续的隐位组成。“错误激活”标志由“错误激活”站点发出，“错误认可”标志由“错误认可”站点发出。检测到出错条件的“错误激活”站点发送“错误激活”标志来指示错误，该标志的格式破坏了聪、从帧起始场到CRC界定符的位填充规则，或者破坏了应答场或帧结束场的固定格式，因而，其他站点将检测到错误条件并发送错误标志。这样，在总线上被监视到的显位序列是由各个站点单独发送的错误标志叠加而形成的，在序列的长度在6~12bit之间。

检测到错误条件的站点，在发送完错误标志以后，就向总线发送隐位并检测总线，直到检测到1个隐位为止，然后它继续向总线发送7个隐位，这共8个隐位称为错误界定符。检测到出错条件的站点，从检测到第1个隐位开始，检测到连续的6个隐位时，就对本次出错进行了认可。

超载帧

有两种超载条件引发超载帧的发送，其一是接收器内部对于下一数据帧或远程帧需要一定延时，其二是在间歇场中检测到显性位。前者引发的超载帧将在下一预期间歇场的第1个位上发送，而后者引发的超载帧在检测到显性位之后立即发送。

超载帧与错误帧的形式相同。超载标志由6个显性位组成，其格式破坏了间歇场的固定格式，因此，所有其他站点都检测到超载条件并发出超载标志。发完超载标志后，站点就一直发送隐性位并监视总线，直到检测到1个隐性位，然后它继续向总线发送7个隐性位，这8个隐性位称为超载界定符。

CAN总线报文的编码，滤波和校验

1报文编码

编码即位流编码（Bit Stream Coding），它的规定如下：

1. 帧的帧起始，仲裁场，控制场，数据场以及CRC序列，均通过位填充的方法编码。无论如何，发送器只要检测到位流里有5个连续相同值的位，便自动在位流里插入一补充位。
2. 数据帧或远程帧的剩余位场形式固定，不填充。错误帧和过载帧的形式也固定，但并不通过位填充的方法进行编码。
3. 报文里的位流根据“不归零”的方法来编码，即在整个位时间里，位的电平要么为“显性”，要么为“隐性。

2报文滤波

报文滤波取决于整个识别符。为了实现报文滤波的灵活控制，通过初始化验收屏蔽寄存器，允许在报文滤波中将任何的识别符位设置为“不考虑“位。

在使用屏蔽寄存器时，它的每一个位都是可编程的，即它们能够被设置成允许或禁止报文滤波。屏蔽寄存器的长度可以包含整个识别符，也可以包含部分的识别符。

3报文检验

检验报文有效的时间点，对发送器与接收器来说各不相同。

1. 发送器

如果直到帧的末尾位均没有错误，则报文对于发送器有效。如果报文出差，则报文根据优先权自动重发。为了能够和其他报文竞争总线，重新传输必须在总线空闲时启动。

1. 接收器

如果直到最后的位均没有错误，则报文对于接收器有效。帧末尾最后的位被置于“不重要“状态，如果是一个”显性“电平也不会引起格式错误。

CAN总线错误处理

1 错误类型

CAN总线共有以下5种不同的错误类型（这5种错误不会相互排斥）。

1. 位错误

节点在发送位的同时也对总线进行监视。如果所发送的位置与所监视的位置不相合，则在此位时间里检测到一个位错误。但是在仲裁场的填充位流期间或应答间隙发送一“隐性”位的情况是例外。此时，当监视到一“显性”位时，也不视为位错误。

1. 填充错误

如果在使用位填充法进行编码的信息中，出现了6个连续相同的位电平时，将检测到一天才错误。

1. CRC错误

CRC序列包括发送器的CRC计算结果。接收器计算CRC的方法与发送器相同。如果计算结果与接收到CRC序列的结果不相符，则检测到一个CRC错误。

1. 格式错误

当一个固定形式的位场含有1个或多个非法位，则检测到一个格式错误。

1. 应答错误

只要在应答间隙期间所监视的位不为“显性”，则发送器会检测到一个应答错误。

2错误标识

检测到错误条件的节点通过发送错误标志指示错误。对于“错误激活”的节点，错误信息为“激活错误”标志；对于“错误认可”的节点，错误信息为“认可错误”标志。节点检测到无论是位错误，填充错误，格式错误，还是应答错误，这个节点会在下一位时发出错误表示标志信息。

只要检测到的错误的条件是CRC错误，错误标志的发送开始于ACK界定符之后的位。

CAN总线故障界定

CAN总线出错的原因可能是总线扰动，也可能是节点出现不可恢复的故障，在CAN总线技术规范中详细定义了用于故障界定的故障状态及转化规则。

故障界定方法

一个CAN总线节点出错后可能处于以下3种状态中的一种，包括错误激活状态，错误认可状态和总线关闭状态。

1 CAN的3种故障激活

1. 错误激活

“错误激活”的节点可以正常地参与总线通信，并在错误被检测到时发出“激活错误”标志。一些教材也有译为“主动错误状态”。

1. 错误认可

“错误认可”节点不允许发送“激活错误”标志。当“错误认可”节点参与总线通信时，在错误被检测到时只发出“认可错误”标志。而且，发送之后，“错误认可”节点将在启动下一个发送之前处于等待状态。一些教材也有译为“被动错误状态”。

1. 总线关闭

“总线关闭”的节点不允许对总线产生任何的影响。

2 CAN的2种故障计算器

在每一总线节点使用两种计算器以便故障界定，包括：发送错误计数和接收错误计数

错误计数规则

这些故障计数器按以下规则改变

1. 当接收器检测到一个错误，接收错误计数器值就加1.在发送“认可错误”标志或过载标志期间，所检测到的错误为位错误时，接收错误计数器值不加1。
2. 当错误标志发送以后，接收器检测到的第一个位为“显性”时，接收错误计数器值加8。
3. 当发送器发送一错误标志时，发送错误计数器值加8。在以下例外情况1和例外情况2发生时，发送错误计数器值不改变。

例外情况1：发送器为“错误认可”，并检测到应答错误，而且在发送“认可错误”标志时也检测不到“显性”位。

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