手把手教会你CAN原理和电路设计

目录

1  CAN是什么

2  CAN的特点和基本概念

2.1 CAN的特点

2.2 CAN的基本概念

3  CAN协议

3.1 IOS标准

3.2 CAN协议

4  CAN原理图设计

4.1 ISO1050--TI CAN收发器应用

4.1.1 特性和功能框图

4.1.2 引脚定义和电气特性

4.1.3 CAN总线状态和芯片应用要点

5  CAN资料及芯片选型推荐

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1  CAN是什么

CAN 是 Controller Area Network 的缩写（以下称为 CAN），是 ISO*1 国际标准化的串行通信协议。

CAN面世之前，汽车产业中各种各样的控制系统之间通信复杂，线束增加，为适应“减少线束的数量”、“通过多个 LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的 CAN 通信协议。此后，CAN 通过 ISO11898 及 ISO11519 进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。现在，CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

2  CAN的特点和基本概念

CAN 控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。

总线电平分为显性电平和隐性电平两种。总线必须处于两种电平之一。总线上执行逻辑上的线“与”时，显性电平为“0”，隐性电平为“1”。

2.1 CAN的特点

CAN协议具有一下特点：

（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。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--仲裁机制。

（2）消息的发送

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（Identifier 以下称为 ID）决定优先级。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。

（5）远程数据请求

可通过发送“遥控帧” 请求其他单元发送数据。

（6） 错误检测功能·错误通知功能·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）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，反之减少。

2.2 CAN的基本概念

CAN 协议如表 3 所示涵盖了 ISO 规定的 OSI*1 基本参照模型中的传输层、数据链路层及物理层。

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，具体有哪些定义如图 5 所示。

MAC 子层是 CAN 协议的核心部分。

3  CAN协议

3.1 IOS标准

CAN 协议经 ISO 标准化后有 ISO11898 标准和 ISO11519-2 标准两种，对于数据链路层的定义相同，但物理层不同。

(1) 关于 ISO11898

ISO11898 是通信速度为 125kbps-1Mbps 的 CAN 高速通信标准。

(2) 关于 ISO11519

ISO11519 是通信速度为 125kbps 以下的 CAN 低速通信标准。

3.2 CAN协议

通信是通过以下 5 种类型的帧进行的。

• 数据帧• 遥控帧• 错误帧• 过载帧• 帧间隔

另外，数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有 11 个位的标识符（Identifier: 以下称 ID），扩展格式有 29 个位的 ID。

  

各类帧组成不用细看，基本是为了实现MAC层功能的细化，不涉及电气特性全看懂对设计原理图也没有帮助，个人理解比较适合设计CAN协议IP的人员，需要详细知道帧类型各种细节。

4  CAN原理图设计

4.1 ISO1050--TI CAN收发器应用

ISO1050是一款隔离室CAN收发器，传输速率高达1Mbps，SOP8 9.5*6.57mm 封装。

4.1.1 特性和功能框图

（1）满足 ISO11898-2 的要求

（2）I/O 电压范围支持 3.3V 和 5V 微处理器

（3）传输速率高达1Mbps

 简化功能框图，具体收发器部分见手册。

4.1.2 引脚定义和电气特性

引脚定义：

电气特性：电压，电流，功耗

4.1.3 CAN总线状态和芯片应用要点

CAN总线在运行时有两种状态：显性状态和隐性状态。主导总线状态，相当于逻辑低，是当总线由驾驶员差异驱动。隐性总线状态是指当总线通过接收器的高电阻内部输入电阻偏置到VCC / 2的公共模式时，相当于逻辑高。

芯片典型应用及原理图设计：

 注意事项：

（1）如果微处理器输出到引脚浮动，TXD引脚应该通过电阻向上拉到VCC1，以强制实现一个隐性输入电平。

（2）ISO11898标准规定互连为具有120-Ω特性阻抗（ZO）的单根双绞线(屏蔽或非屏蔽）。应使用等于线路特性阻抗的电阻来终止电缆的两端--120Ω电阻终端，以防止信号反射。

  

（3）在ISO11898-2中，驱动器差动输出规定为60Ω负载（两个120Ω终端电阻并联），且差动输出必须大于1.5 V。--手册中测试电路的60Ω电阻应该是ISO11898-2标准，实际应用120Ω多。

5  CAN资料及芯片选型推荐

如果只是硬件电路设计，只需要了解CAN入门书即可，不需要看其他协议资料。

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