CAN控制器与收发器的工作原理及分类

[导读]控制器局域网总线(CAN，Controller Area Network)是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。

控制器局域网总线(CAN，Controller Area Network)是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。控制器局域网CAN( Controller Area Network)属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。是由德国博世公司在20世纪80年代专门为汽车行业开发的一种串行通信总线。由于其高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到人们的重视，被广泛应用于诸多领域。而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。由于CAN总线具有很高的实时性能和应用范围，从位速率最高可达1Mbps的高速网络到低成本多线路的50Kbps网络都可以任意搭配。因此，CAN己经在汽车业、航空业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。

CAN是一种广泛应用于汽车和工业领域的通信协议。它的工作原理基于串行通信和差分信号传输。

CAN协议使用了分布式的通信方式，其中包括多个节点和一个总线。每个节点都可以发送和接收消息，而总线负责将消息传输到所有连接的节点上。

CAN协议使用一种称为"非破坏性位定时"的机制来解决冲突。每个节点在发送消息之前会监测总线上的电平状态，并根据电平状态来确定是否有其他节点正在发送消息。如果有冲突发生，节点会停止发送消息并等待一个随机的时间后再次尝试发送。

CAN协议使用两根线进行数据传输，分别为CAN_H和CAN_L。CAN_H和CAN_L之间的电压差表示数据的逻辑值，通过差分信号传输可以有效抵抗电磁干扰。

在CAN网络中，每个节点都有一个唯一的标识符(ID)，用于识别消息的发送者和接收者。当一个节点想要发送消息时，它首先检查总线上是否有其他节点正在发送消息。如果没有冲突，该节点就可以发送消息。

接收消息的节点会监听总线上的数据，并根据消息的标识符判断是否需要接收该消息。如果节点需要接收消息，则会将其存储在接收缓冲区中供处理器读取。

本设计分别将协议控制器通过串行数据输出线TX和串行数据输入线RX连接到光电隔离器TLP2631的3管脚和7管脚，实现了光电隔离。利用CAN收发器。PCA82C250将从光电隔离器TLP2631输出的差动的总线信号转换成逻辑信号电平并在RxD输出，接收到的串行数据通过与总线电缆相连的差动发送和接收总线终端CANH和CANL将数据送到总线协议控制器译码，完成了普通电平到显、隐性电平的传输。CAN总线获取显、隐性电平后，再经过PCA82C250和光电耦合器TLP2631将数据传输给送经驱动器、卷取驱动器的CAN接收端口，从而实现了基于CAN总线的数据传输。信号数据传输过程中，存在着扰动，为此本设计采取以下措施来克服干扰的影响：

1)为了满足光电隔离的要求，本设计在协议控制器和CAN收发器之间加入了TLP2631光电隔离器，有效地抑制了传输线中由于耦合电容、电感造成的干扰，实现了不同电平的转换。

2)为了匹配数据总线的阻抗和提高数据传输的抗干扰能力，在CAN总线终端的两端加有两个120 Ω总线阻抗匹配电阻。若不接这两个电阻，有时甚至无法通信。采用屏蔽双绞线以减少现场环境对结点的干扰。

送经卷取系统的软件设计是实现数据高效通信的关键，本文的软件部分主要由数据采集程序和CAN总线通信程序设计两部分组成。其中数据采集程序可参考文献，本文重点论述CAN通讯程序的设计。软件开发环境，选用ADS1.2集成开发环境，ADS是ARM微控制器集成开发工具。ADS1.2支持ARM10之前所有ARM系列，支持软件调试及JTAG硬件仿真调试，支持汇编语言、C/C++源程序;具有编译效率高、系统库功能强等特点;可以在WINDOWS 98、WINDOWS XP、WINDOWS 2000上运行。

随着CAN总线在各个行业和领域的广泛应用，对其的通信格式标准化也提出了更严格的要求。1991年CAN总线技术规范(Version2.0)制定并发布。该技术规范共包括A和B两个部分。其中2.0A给出了CAN报文标准格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种格式。美国的汽车工程学会SAE在2000年提出了J1939协议，此后该协议成为了货车和客车中控制器局域网的通用标准。CAN总线技术也在不断发展。传统的CAN是基于事件触发的，信息传输时间的不确定性和优先级反转是它固有的缺陷。当总线上传输消息密度较小时，这些缺陷对系统的实时性影响较小;但随着在总线上传输消息密度的增加，系统实时性能会急剧下降。为了满足汽车控制对实时性和传输消息密度不断增长的需要，改善CAN总线的实时性能非常必要。于是，传统CAN与时间触发机制相结合产生了TTCAN(Time-Triggered CAN)，ISO11898-4己包含了TTCAN。 TTCAN总线和传统CAN总线系统的区别是：总线上不同的消息定义了不同的时间槽(Timer Slot)。

CAN总线，作为一种分布式的控制总线，其结构相对简洁。在总线上，每个节点都配备MCU控制器，负责处理CAN总线数据并执行特定功能。仅需两根线缆(CAN_H和CAN_L)即可将各节点连接起来，这种设计不仅节省了线缆资源，还大大提高了系统的可靠性。

遵循ISO11898标准，CAN总线的拓扑结构采用干线和支线相结合的方式。干线两端均配备了120欧姆的终端电阻，以确保信号的稳定传输。节点则通过无端接的支线与总线相连，这种设计使得节点能够灵活地加入或退出总线网络。同时，标准还对干线和支线的各项参数进行了详细说明，为系统的设计和优化提供了有力支持。

在CAN总线的拓扑结构中，线性网络占据着重要地位。通过干线和支线的巧妙结合，总线网络得以灵活构建。为了确保信号的稳定传输，干线两端均配备了120欧姆的终端电阻。同时，标准化的设计使得每个节点都能轻松地加入或退出总线网络，为系统的扩展性提供了有力保障。此外，表1还详细列出了干线与支线的网络长度参数，为系统的设计和优化提供了详尽的参考依据。

在实际应用中，CAN控制器和收发器常通过CAN中继器将分支网络与干线网络相连。每条分支网络均遵循ISO11898标准，从而有效扩展了CAN总线的通信距离，并增加了节点数量。