第3讲CAN现场总线资料
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CAN现场总线的概念及其相关协议
基本概念
标称位速率
理想的发送器在没有重新同步的情况下每秒发送的 位数量
正常位时间
CAN总线的一个位时间可以分成四个部分：同步段， 传播时间段，相位段缓冲1和相位段缓冲2
基本概念
同步段
同步段用于同步总线上的各个节点,在此段内期望有一个跳变 沿出现。如果跳变沿出现在同步段之外，那么沿与同步段之 间的长度叫做沿相位误差。采样点位于相位缓冲段1的末尾和 相位缓冲段2开始处。
基本术语
3．位速率 不同的系统，CAN 的速度不同。在一个给定的系 统里，位速率是唯一的，并且是固定的。 4．优先权 在总线访问期间，识别符定义一个静态的报文优 先权。 5．远程数据请求 通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求另一 节点发送相应的数据帧。数据帧和相应的远程帧是由 相同的识别符命名的。
报文传输由4个不同类型的帧表示和控制： 报文传输由 个不同类型的帧表示和控制： 个不同类型的帧表示和控制
数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器。 数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器。总线上 传输的大多是这个帧。 传输的大多是这个帧。 远程帧：由总线单元发出， 远程帧：由总线单元发出，请求发送具有同一识别符 的数据帧。数据帧（或远程帧） 的数据帧。数据帧（或远程帧）通过帧间空间与其他 各帧分开。 各帧分开。 错误帧：任何单元一但检测到总线错误就发出错误帧。 错误帧：任何单元一但检测到总线错误就发出错误帧。 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（ 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远 程帧）之间提供一附加的延时。 程帧）之间提供一附加的延时。
控制场
控制场由6个位组成
数据长度代码表
数据字节 数据长度代码 数 DLC３ DLC２ 0 d d 1 d d 2 d d 3 d d 4 d r 5 d r 6 d r 7 d r 8 r d
CAN总线简介(2024版)
目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN， 一条用于驱动系统的高速CAN，速率达到500kb/s； 另一条用于车身系统的低速CAN，速率是100kb/s。
驱动系统的高速CAN
• 驱动系统CAN主要连接对象是发动机控制器 （ECU）、ABS控制器、安全气囊控制器、 组合仪表等等，它们的基本特征相同，都是 控制与汽车行驶直接相关的系统。
倍。这种传统布线方法不能适应汽车的发展。CAN总线可有效减少线束，节省空间。
例如某车门-后视镜、摇窗机、门锁控制等的传统布线需要20-30 根，应用总线 CAN 则
只需要 2 根。（3）关联控制在一定事故下，需要对各ECU进行关联控制，而这是传统
汽车控制方法难以完成的表1 汽车部分电控单元数据发送、接受情况
• （5）直接通信距离最远可达10km（速率5Kbps以下）。
• （6）通信速率最高可达1MB/s（此时距离最长40m）。
• （7）节点数实际可达110个。
• （8）采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个。
• （9）每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错 率极低。
• （10）通信介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维，一 般采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。
可靠性高：传输故障（不论是由内部还是外部引起 的）应能准确识别出来 使用方便：如果某一控制单元出现故障，其余系统 应尽可能保持原有功能，以便进行信息交换 数据密度大：所有控制单元在任一瞬时的信息状态 均相同，这样就使得两控制单元之间不会有数据偏 差。如果系统的某一处有故障，那么总线上所有连 接的元件都会得到通知。 数据传输快：连成网络的各元件之间的数据交换速 率必须很快，这样才能满足实时要求。
• （2）网络上的节点（信息）可分成不同的优先级,可以满 足不同的实时要求。
驱动系统的高速CAN
• 驱动系统CAN主要连接对象是发动机控制器 （ECU）、ABS控制器、安全气囊控制器、 组合仪表等等，它们的基本特征相同，都是 控制与汽车行驶直接相关的系统。
倍。这种传统布线方法不能适应汽车的发展。CAN总线可有效减少线束，节省空间。
例如某车门-后视镜、摇窗机、门锁控制等的传统布线需要20-30 根，应用总线 CAN 则
只需要 2 根。（3）关联控制在一定事故下，需要对各ECU进行关联控制，而这是传统
汽车控制方法难以完成的表1 汽车部分电控单元数据发送、接受情况
• （5）直接通信距离最远可达10km（速率5Kbps以下）。
• （6）通信速率最高可达1MB/s（此时距离最长40m）。
• （7）节点数实际可达110个。
• （8）采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个。
• （9）每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错 率极低。
• （10）通信介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维，一 般采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。
可靠性高：传输故障（不论是由内部还是外部引起 的）应能准确识别出来 使用方便：如果某一控制单元出现故障，其余系统 应尽可能保持原有功能，以便进行信息交换 数据密度大：所有控制单元在任一瞬时的信息状态 均相同，这样就使得两控制单元之间不会有数据偏 差。如果系统的某一处有故障，那么总线上所有连 接的元件都会得到通知。 数据传输快：连成网络的各元件之间的数据交换速 率必须很快，这样才能满足实时要求。
• （2）网络上的节点（信息）可分成不同的优先级,可以满 足不同的实时要求。
现场总线报告CAN
Control unit 2
CAN bus wiring
Matching 陈虹实验室 汽车电子小组
现场总线培训教程 － 陈虹课题组
基于现场总线的网络控制及其应用－陈虹实验室 汽车电子小组
现场总线培训教程 － 陈虹课题组
1-隐性(Recessive) 0-显性(Dominant)
(7) 故障封闭 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。
基于现场总线的网络控制及其应用－陈虹实验室 汽车电子小组
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(3) 系统的柔软性 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。
基于现场总线的网络控制及其应用－陈虹实验室 汽车电子小组
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通信速度和最大总线长度的关系
基于现场总线的网络控制及其应用－陈虹实验室 汽车电子小组
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1、基本概念
CAN总线元件
现场总线技术3-4 CAN总线 现场总线技术及其应用 教学课件
Dependent Interface-MDI）构成媒体访问单元（MAU ）
2020/7/2
12
物理层信号（PLS）
Physical Layer Signal Sublayer 物理层信号实现与位表示、位定时和同步相关
的功能
2020/7/2
13
PLS－位定时
标称位速率（Nominal Bit Rate）：理想发送器在没有 重同步的情况下，发送的位数/秒
CAN采用非破坏性逐位仲裁技术，优先级发送，可以 大大节省总线冲突仲裁时间，在重负荷下表现出良好 的性能；CAN可以点对点、一点对多点（成组）及全 局广播等几种方式传送和接收数据。
CAN的直接通信距离最远可达10 km（传输速率为5 Kbit/s）；最高通信速率可达1 Mbit/s（传输距离为 40m）。
11
物理媒体连接（PMA）子层
Physical Medium Attachment Sublayer 功能：实现总线发送/接收的功能电路，并可提供总线
故障检测方法 CAN技术规范2.0B中没有定义该层的驱动器/控制器特
性，以便在具体应用中进行优化设计。 由物理媒体连接（PMA）和媒体从属接口（Physical
现场总线技术及其应用
第3讲
胡青松
2020/7/2
1
3.4.1 CAN总线概述
CAN是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通 信网络。
CAN协议遵循ISO/OSI模型，采用了其中的物理层、 数据链路层与应用层。
CAN可以多主方式工作，本质上也是一种CSMA/CD 方式，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地 向网络上的其它节点发送信息，而不分主从，节点之 间有优先级之分，因而通信方式灵活；
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物理层信号（PLS）
Physical Layer Signal Sublayer 物理层信号实现与位表示、位定时和同步相关
的功能
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PLS－位定时
标称位速率（Nominal Bit Rate）：理想发送器在没有 重同步的情况下，发送的位数/秒
CAN采用非破坏性逐位仲裁技术，优先级发送，可以 大大节省总线冲突仲裁时间，在重负荷下表现出良好 的性能；CAN可以点对点、一点对多点（成组）及全 局广播等几种方式传送和接收数据。
CAN的直接通信距离最远可达10 km（传输速率为5 Kbit/s）；最高通信速率可达1 Mbit/s（传输距离为 40m）。
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物理媒体连接（PMA）子层
Physical Medium Attachment Sublayer 功能：实现总线发送/接收的功能电路，并可提供总线
故障检测方法 CAN技术规范2.0B中没有定义该层的驱动器/控制器特
性，以便在具体应用中进行优化设计。 由物理媒体连接（PMA）和媒体从属接口（Physical
现场总线技术及其应用
第3讲
胡青松
2020/7/2
1
3.4.1 CAN总线概述
CAN是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通 信网络。
CAN协议遵循ISO/OSI模型，采用了其中的物理层、 数据链路层与应用层。
CAN可以多主方式工作，本质上也是一种CSMA/CD 方式，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地 向网络上的其它节点发送信息，而不分主从，节点之 间有优先级之分，因而通信方式灵活；
CAN总线讲义
J1939 PDU 协议数据单元
P
R
D P
PF
PS
SA
DATA
3 11 8
8
8
64
1.优先级（P） 这三位仅在总线传输中用来优化消息延迟(即总线仲裁)，消息优 先级可从最高0(000)设置到最低7(111).所有控制消息的缺省优先 级是3(011).其他所有信息、专用、请求和ACK消息的缺省优先 级是6(110). 2.保留位（R） 保留此位以备今后开发使用,所有消息应在传输中将SAE保留位 置0. 3 数据页（DP） 数据页位选择参数组描述的辅助页.置位0或1.
CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业 控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为 大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。
其典型的应用协议有：SAE J1939/ISO11783、 CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。
1、SAE J1939 协议
0 1 2
15 16 报文发送 17 18
19
MSCAN控制寄存器0(CANCTL0) MSCAN控制寄存器1(CANCTL1)
MSCAN总线计时寄存器0(CANBTR0) MSCAN总线计时寄存器1(CANBTR1)
MSCAN接受标志寄存器(CANRFLG) MSCAN接受中断使能寄存器(CANRIER)
20 世纪 80 年代初德国 BOSH 公司为解决现代汽车众多 控制单元、测试仪器之间实时交换数据而开发的一种串行通 讯协议,经多次修订,于1991年9月形成技术规范 2.0版本,该版 本包括 2.0A(11位标准帧格式)和 2.0B(29位扩展帧格式)两部 分.
美国的汽车工程学会SAE于2000年以CAN2.0B为基础 ,提 出 J1939 通讯协议 .
CAN现场总线
CRC序列
CRC界定符
• CRC序列由循环冗余码求得的帧检查序列组成，最适用于位 数小于127（BCH码）的帧。 ⑥ 应答场（ACR） • 为两位，包括应答间隙和应答界定符，如图8-18所示。
图8-17 CRC场结构
CRC场
ACK场
帧结束
ACK间隙
ACK界定符
图8-18 应答场组成
⑦ 帧结束 • 每个数据帧和远程帧均由7个隐性位组成的标志序列界定。 （2）远程帧 • 激活为数据接收器的站可以借助于传送一个远程帧初始化 各自源节点数据的发送。远程帧由6个不同分位场组成：帧 起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。 • 同数据帧相反，远程帧的RTR位是隐性位。远程帧不存在数 据场。DLC的数据值是独立的，它可以是0~8中的任何数值。 远程帧的组成如图8-19所示。
• 场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。数据场长 度可为0。CAN2.0A数据帧的组成如图8-13所示。
帧间空间
数据帧 帧间空间 或超载帧 仲裁场 控制场 数据场 CRC场 帧结束
帧起始
ACK场
图8-13 数据帧组成
• 在CAN 2.0B中存在两种不同的帧格式，其主要区别 在于标识符的长度，具有11位标识符的帧称为标准 帧，而包括29位标识符的帧称为扩展帧。标准格式 和扩展格式的数据帧结构如图8-14所示。
4 CAN现场总线
• 早在20世纪80年代初，德国的BOSCH公司就提出了用CAN （Controller Area Network）控制器局域网络来解决汽车内 部的复杂硬信号接线。目前，其应用范围已不再局限于汽 车工业，而向过程控制、纺织机械、农用机械、机器人、 数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN总线以其 独特的设计，低成本、高可靠性、实时性、抗干扰能力强 等特点得到了广泛的应用。 • 1993年11月ISO正式颁布了道路交通运输工具、数据信息
CAN现场总线简介
CAN现场总线简介2009年09月22日星期二 13:38控制器区域网(Controller Area Network)CAN现场总线已经成为在仪表装置通讯的新标准. 它提供高速数据传送, 在短距离(40m)条件下具有高速(1Mbit/s)数据传输能力,而在最大距离10000m时具有低速(5kbits/s)传输能力, 极适合在高速的工业自控应用上.CAN总线可在同一网络上连接多种不同功用的传感器(如位置,温度或压力等)。
CAN总线（Controller Aera Network）与其他总线相比有如下特点：①.它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信；②.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1Mbps；③.CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等项工作；④.CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。
采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成,因此可以定义211或229个不同的数据块,这种按数据块编码的方式,还可使不同的节点同时接受到相同的数据,这一点在分步式控制中非常重要；⑤.数据段长度最多为8个字节,可满足通常工业领域中控制命令,工作状态及测试数据的一般要求.同时，8个字节不会占用总线时间过长,从而保证了通信的实时性；⑥.CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能,保证了数据通信的可靠性。
［查看《CAN总线综述》］CAN总线所具有的卓越性能、极高的可靠性和独特设计,特别适合工业设备测控单元互连。
因此倍受工业界的重视,并已公认为最有前途的现场总线之一。
CAN现场总线产生与发展控制器局部网（CAN－CONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。
canbus现场总线
canbus现场总线第三章 CANbus现场总线现场总线是安装在生产过程区域的现场设备仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。
现场总线（Fieldbus）技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术，可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。
CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，由德国Bosch 公司最先提出，已成为国际标准ISO11898（高速应用）和ISO11519（低速应用）。
CAN是一种多主方式的串行通讯总线，CAN的规范定义了OSI模型的最下面两层：数据链路层和物理层。
CAN 协议有2.0A和2.0B两个版本，CAN协议的2.0A版本规定CAN 控制器必须有一个11位的标志符，在2.0B版本中规定CAN控制器的标志符长度可以是11位或29位。
第一节 CAN通信协议3.1.0协议特点CAN总线是一种串行数据通信协议。
它有如下特点：1、CAN协议分层分为目标层、传输层、物理层。
目标层的功能：确定要发送的报文、确认传输层接收到的报文、为应用层提供接口。
传输层的功能：帧组织、总线仲裁、检错、错误报告、错误处理。
物理层的范围包括实际位传送过程中的电气特性。
2、CAN协议逻辑位使用2种逻辑位表达方式。
当总线上的CAN控制器发送的都是弱位时，此时总线状态是弱位（逻辑1）；如果总线上有强位出现，弱位总是让位于强位，即总线状态是强位（逻辑0）。
上有强位出现，弱位总是让位于强位，即总线状态是强位（逻辑0）。
3、CAN协议校验.采用CRC校验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。
4、CAN协议编码方式.使用了数据块编码方式，使得网络内的节点个数在理论上不受限制。
5、CAN协议数据块的长度.规定了数据块的长度最多为8个字节，传输时不会过长占用总线，保证了通信的实时性。
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1991 Philip Semiconductors制定CAN技术规范CAN2.0A,CAN 2.0B。
Beijing Institute史
CAN总线
1983: Start of the Bosch internal project to develop an in-vehicle network 1986: Official introduction of CAN protocol 1987: First CAN controller chips from Inter and Philips Semiconductors 1991: Bosch's CAN specification 2.0 published 1991: CAN Kingdom CAN-based higher-layer protocol introduced by Kvaser 1992: CAN in Automation international users and manufacturers group established 1992: CAN in Application Layer(CAL) protocol published by CiA 1992: First cars from Mercedes-Benz used CAN network 1993: ISO 11898 standard published 1994: First international CAN Conference(iCC) organized by CiA 1994: DeviceNet protocol introduction by Allen-Bradley 1995: ISO 11898 amendment (extended frame format) published 1995: CANopen protocol published by CiA 2000: Development of the time-triggered communication protocol for AN(TTCAN)
只需通过报文滤波即可实现点对点、点对多点及广播等 传输方式，无需专门的“调度”；
节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；
Beijing Institute of Technology
8
1. 综述—CAN总线性能特点
CAN总线
采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的 验错效果；
远程数据请求：通过发送一个远程帧，需要数据的节点可 以请求另一个节点发送个相应的数据帧。
多主站：当总线开放时，任何单元均可开始发送报文，而 发送具有最高优先权报文的单元，赢得总线访问。
德国博世（BOSCH）公司是倡导者 1986年在汽车工程协会(SAE)大会上提出
1992年开始，Benz,Volvo,Saab,Volkswagen,BMW, Renault,Fiat等陆续在其车辆产品中使用CAN。
针对汽车工业复杂的电子装置
汽车、机械、工业自动化，石油化工等
传输的报文根据报文的内容识别
息、优先级信息
Beijing Institute of Technology
5
1. 综述—发展历史
CAN总线
CAN（Controller Area Network）是控制器局域网
CAN是由德国Bosch公司专门为汽车监测和控制而设计的，逐步发展到 用于其它工业领域的现场控制。CAN已经成为国际标准化组织 ISO11898标准。
Beijing Institute of Technology
CAN总线
2
1 综述—应用领域及实例
CAN总线
Beijing Institute of Technology
3
实例
CAN总线
Beijing Institute of Technology
4
1. 综述—应用领域及实例
CAN总线
广泛应用的技术原因
CAN总线
第三讲 CAN现场总线 （Controller Area Network）
Beijing Institute of Technology
1
CAN现场总线
1、综述 2、技术规范 3、报文传输和帧结构 4、CAN通信中的几个问题 5、典型CAN总线器件及应用 6、CAN通信的控制与应用 7、CAN应用层协议 8、CAN总线在汽车领域的应用
Beijing Institute of Technology
9
2. CAN总线的技术规范—基本概念
CAN总线
报文：当总线开放时，任何连接的单元均可开始发送一个 新报文。
信息路由：在CAN系统中，一个CAN节点不使用有关系 统结构的任何信息(如站地址)。
位速率： CAN的数据传输率在不同的系统中是不同的， 而在一个给定的系统中，此速度是唯一和固定的。
Beijing Institute of Technology
7
1. 综述—CAN总线性能特点
CAN总线
多主工作方式，任一节点均可在任意时刻主动的向网络 上其他节点发送信息；
节点信息分成不同的优先级，可满足不同实时性要求， 高优先级的数据最快可在134us内得到传输；
采用非破坏性的总线仲裁技术，当多个节点同时向总线 发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送；
低成本 极高的总线利用率 很远的数据传输距离(长达10Km) 高速的数据传输速率（高达1Mbit/s） 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文 可靠的错误处理和检错机制 发送的信息遭到破坏后，可自动重发 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信
每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出 错率极低。
直接通信距离最远可达10km/5kbps,通信速率最高可达 1Mbps/40m
报文标识符可达2032种(CAN2.0A)，而扩展标准(CAN2.0B) 的报文标识符几乎不受限制。
CAN 的通信介质：双绞线、同轴电缆、光纤。
CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以 使总线上其他节点的操作不受影响。