【技术】详解CAN总线协议的基本特点及种类规格

时间： 2022-04-01 来源：恩智测控

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本文恩智测控为您讲解一下CAN总线协议的基本知识，将对CAN总线协议基本概念、特点及种类规格进行详细介绍。

CAN总线协议基本概念

CAN协议包括OSI*1参考模型的传输层、数据链路层、物理层。图1显示了CAN协议每个层的定义。数据链路层划分为MAC（媒体存取控制）和LLC（逻辑链路控制）。MAC子层组成CAN协议的核心。数据链路层的功能是将从物理层接收到的信号组织成有意义的信息，提供如传输错误控制等数据传输控制流程。更具体来说，包括：信息如何封装成一帧，数据冲突仲裁、应答、错误的检测或通知。数据链路层的这些功能通常由CAN控制器硬件来实现。

物理层定义信号的实际传输方式、位的时序、位的编码、同步的过程步骤，然而，CAN协议并没有定义信号电平、通讯速度、采样点值、驱动器和总线电气特征、连接器形式。对每个系统，这些特征由用户自行确定。

CAN协议中关于ISO/OSI基本参照模型中的传输层、数据链路层及物理层，具体的定义如图2所示。

CAN总线协议基本特点

1、多主控制

在总线空闲时，所有的单元都可开始发送消息（多主控制）。最先访问总线的单元可获得发送权（CSMA/CA方式）。多个单元同时开始发送时，发送高优先级ID 消息的单元可获得发送权。

2、信息的发送

在CAN协议中，所有的消息都以固定的格式发送。总线空闲时，所有与总线相连的单元都可以开始发送新消息。两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符（以下简称为ID）决定优先级。ID 并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的优先级。两个以上的单元同时开始发送消息时，对各消息 ID 的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜（被判定为优先级最高）的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。

3、系统的灵活性

与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息。因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变。

4、通信速度

根据整个网络的规模，可设定适合的通信速度。在同一网络中，所有单元必须设定成统一的通信速度。即使有一个单元的通信速度与其它的不一样，此单元也会输出错误信号，妨碍整个网络的通信。不同网络间则可以有不同的通信速度。

5、远程数据请求

可以通过发送“遥控帧”，请求其他单元发送数据。

6、错误检测、错误通知、错误恢复功能

所有的单元都可以检测错误（错误检测功能）。

检测出错误的单元会立即同时通知其他所有单元（错误通知功能）。

正在发送消息的单元一旦检测出错误，会强制结束当前的发送。强制结束发送的单元会不断反复地重新发送此消息直到成功发送为止（错误恢复功能）。

7、错误隔离

CAN可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误（如外部噪声等）还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）。由此功能，当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。

8、连接

CAN总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速度，可连接的单元数增加；提高通信速度，则可连接的单元数减少。

CAN总线协议种类规格

简单了解了CAN总线协议基本概念与特点后，接下来说最为通用的三种CAN总线协议，它们分别是J1939、CANopen以及Device Net。

1、J1939协议

它是美国汽车工程协会的推荐标准协议，主要用于为中重型道路车辆上电子部件间的通讯提供标准的体系结构。它主要就是基于德国博世公司开发的控制器局域网络（即CAN总线）开发的，最快通讯速率可达250Kbps。它描述了重型车辆现场总线的一种网络应用，包括CAN网络物理层定义、数据链路层定义、应用层定义、网络层定义、故障诊断和网络管理。在 J1939协议中，不仅仅指定了传输类型、报文结构及其分段、流量检查等，而且报文内容本身也做了精确的定义。目前，J1939是在商用车辆、舰船、轨道机车、农业机械和大型发动机中应用最广泛的应用层协议。

2、CANopen协议

CANopen协议是一种架构在CAN总线网络上的高层通讯协定，它包括通讯子协定及设备子协定，常在嵌入式系统中使用，是工业控制常用到的一种现场总线。CANopen协议实现了OSI模型中的网络层以上（包括网络层）的协定。CANopen协议标准包括寻址方案、数个小的通讯子协定及由设备子协定所定义的应用层。CANopen支援网络管理、设备监控及节点间的通讯，其中包括一个简易的传输层，可处理资料的分段传送及其组合。一般而言数据链结层及物理层会用CAN来实作。

3、Device Net协议

DeviceNet协议是一个简单、廉价而且高效的协议，它适用于最低层的现场总线，例如：过程传感器、执行器、阀组、电动机起动器、条形码读取器、变频驱动器、面板显示器、操作员接口和其他控制单元的网络。我们可通过DeviceNet连接的设备包括从简单的挡光板到复杂的真空泵各种半导体产品。DeviceNet也是一种串行通信链接，可以减少昂贵的硬接线。DeviceNet所提供的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。

以上就是CAN总线上最为通用的三种CAN总线协议，当然，在日常的工作中，CAN总线的协议还有很多种，几乎每一个相关用户都有着属于自己的总线协议，具体CAN协议种类如图3所示。

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N3225-10K-M001	直流电源	10000V	1mA	电压≤0.01%+0.05%F.S.	电流≤0.02%+0.05%F.S.	1V/0.1μA	1	LAN/RS232	2U

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产品型号	品类	最大输出电压(V)	最大输出电流(A)	电压精度	电流精度	分辨率(mV/mA)	通道数	象限	通讯接口	尺寸
N8330A	电池模拟器	6V	1A	≤0.1mV±2d	≤0.2mA±2d	0.01mV/0.001mA	24	单象限	LAN/RS485	2U

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