Кадр ошибки can

Всех приветствую, сегодняшняя статья будет целиком и полностью посвящена обзору протокола CAN. А в одной из следующих статей мы реализуем обмен данными по CAN на практике. Но не буду забегать вперед…

CAN (Controller Area Network) — это промышленный стандарт, позволяющий осуществить объединение в единую сеть различных узлов, механизмов, датчиков и т. п. Протокол является широковещательным, это значит, что все устройства в CAN-сети принимают все передаваемые по шине сигналы. Режим передачи данных — последовательный, при этом байты сообщений формируют кадры определенного вида. Структуру этих кадров данных мы также обязательно разберем в этой статье.

Основные характеристики протокола CAN:

• очень высокая надежность и защищенность
• каждое сообщение имеет свой собственный приоритет
• реализован механизм обнаружения ошибок
• автоматическая повторная отправка сообщений, которые были доставлены с ошибкой
• уже упомянутый широковещательный характер передачи данных
• возможность присутствия нескольких ведущих (master) устройств в одной сети
• широкий диапазон скоростей работы
• высокая устойчивость интерфейса к помехам
• кроме того, есть механизм обнаружения «сбойных» узлов с последующим удалением таких узлов из сети.

Первоначально стандарт был разработан для автомобильной промышленности. И занималась этим компания Bosch в 1980-х годах. Основная идея заключалась в том, чтобы уйти от использования огромного количества проводов, соединяющих многочисленные узлы автомобиля. И протокол CAN позволил этого достичь. С тех пор CAN является основным механизмом соединения устройств, узлов и датчиков автомобиля между собой. Помимо этого, интерфейс CAN активно используется в промышленной автоматизации, а также в системах «умного дома».

Давайте перейдем к физическому уровню протокола. В интернете можно найти много противоречивой информации на этот счет, но истина тут одна ) Стандарт CAN компании Bosch не регламентирует физический уровень передачи данных, поэтому могут использоваться абсолютно разные варианты, например, оптоволокно. На практике же чаще всего используется соединение посредством двухпроводной дифференциальной линии (витой пары). Ориентировочная максимальная длина линии для разных скоростей передачи данных составляет:

Скорость	Длина линии
1 Мбит/с	50 м
500 кбит/с	100 м
125 кбит/с	500 м
10 кбит/с	5 км

Важным условием работоспособности шины является наличие на концах витой пары согласующих резисторов, которые также называют терминаторами, с сопротивлением 120 Ом:

В отличие от многих других протоколов в CAN не рекомендуется описание битов данных как «логического нуля» и «логической единицы». Здесь используются понятия доминантный и рецессивный бит.

Важнейшим свойством является то, что если один из узлов сети хочет выставить на линии рецессивный бит, а другой доминантный, то в итоге на линии окажется доминантный бит. В общем-то отсюда и следует его название, от слова «доминировать» ) Очень хорошо этот процесс иллюстрирует пример с оптоволоконной линией. Как вы помните, в оптоволокне для передачи данных используется «свет», либо он есть (единица), либо его нет (ноль). При использовании в CAN-сети «свет» — доминантный бит, соответственно, отсутствие света или «темнота» — рецессивный.

Вспоминаем про важнейшее свойство передачи данных в сети. Пусть один узел выставляет на линии рецессивный бит, то есть «темноту». Второй узел, напротив, выставляет доминантный бит — «свет». В итоге на линии будет «свет», то есть доминантный бит, что в точности соответствует требованиям сети:

При использовании электрического сигнала устройство, желающее передать в линию доминантный бит, может подтянуть линию к земле. Это и приведет к тому, что на линии будет доминантный бит независимо от того, что выдают на линию другие участники коммуникации.

Это свойство используется для арбитража в сети CAN. Пусть несколько устройств хотят передать данные. Каждый из этих передатчиков сравнивает значение, которое он передает, со значением, фактически присутствующим на линии. В том случае, если передаваемое значение совпадает со считанным, устройство продолжает высылать свои данные. Если значения совпали у нескольких устройств, то все они продолжают передачу как ни в чем не бывало.

Продолжается это до того момента, когда значения станут различными. Если несколько устройств хотят передать рецессивный бит, а одно — доминантный, то в соответствии с правилом, которое мы обсудили выше, на линии окажется доминантный бит. В таком случае отправленные и считанные значения для устройств, пытающихся выдать на линию рецессивное состояние, не совпадут. В этом случае они должны прекратить передачу. А тот узел, который в этот момент передавал доминантный бит, продолжит свою работу. Доминирование в чистом виде )

Сигналы, которые передаются по витой паре, получили название CAN_H и CAN_L (High и Low). Доминантное состояние соответствует случаю, когда потенциал сигнала CAN_H выше потенциала CAN_L. Рецессивное — когда потенциалы равны (разница потенциалов не превышает допустимого отклонения, 0.5 В).

С этим вроде бы разобрались, давайте двигаться дальше! Пришло время определить, как биты объединяются в кадры. Протокол CAN определяет 4 вида кадров:

• Кадр данных (data frame)
• Кадр удаленного запроса (remote frame)
• Кадр перегрузки (overload frame)
• Кадр ошибки (error frame)

Для кадра данных возможны два варианта — базовый формат и расширенный. Вот так выглядит структура базового формата:

Поле	Длина	Описание
Начало кадра (SOF)	1 бит	Начало передачи кадра
Идентификатор (ID)	11 бит	Идентификатор сообщения
Запрос на передачу (RTR)	1 бит	Доминантный бит
Бит расширения идентификатора (IDE)	1 бит	Бит определяет длину идентификатора, для базового формата — доминантный бит
Зарезервированный бит	1 бит	Зарезервировано
Длина данных (DLC)	4 бита	Количество байт данных
Данные	0 — 8 байт	Данные
Контрольная сумма (CRC)	15 бит	Контрольная сумма
Разграничитель контрольной суммы	1 бит	Рецессивный бит
Промежуток подтверждения (ACK)	1 бит	Для приемника — доминантный бит, для передатчика — рецессивный
Разграничитель подтверждения	1 бит	Рецессивный бит
Конец кадра (EOF)	7 бит	Все биты рецессивные

А это структура расширенного:

Поле	Длина	Описание
Начало кадра (SOF)	1 бит	Начало передачи кадра
Идентификатор A (ID A)	11 бит	Первая часть идентификатора
Подмена запроса на передачу (SRR)	1 бит	Рецессивный бит
Бит расширения идентификатора (IDE)	1 бит	Бит определяет длину идентификатора, для расширенного формата — рецессивный бит
Идентификатор B (ID B)	18 бит	Вторая часть идентификатора
Запрос на передачу (RTR)	1 бит	Доминантный бит
Зарезервированные биты	2 бита	Зарезервировано
Длина данных (DLC)	4 бита	Количество байт данных
Данные	0 — 8 байт	Данные
Контрольная сумма (CRC)	15 бит	Контрольная сумма
Разграничитель контрольной суммы	1 бит	Рецессивный бит
Промежуток подтверждения (ACK)	1 бит	Для приемника — доминантный бит, для передатчика — рецессивный
Разграничитель подтверждения	1 бит	Рецессивный бит
Конец кадра (EOF)	7 бит	Все биты рецессивные

Результирующий идентификатор получается в результате объединения полей «Идентификатор A» и «Идентификатор B«.

Кадр удаленного запроса (remote frame) представляет из себя кадр данных, описанный выше, но без поля данных и с рецессивным битом RTR. Он используется в случае, когда один узел хочет запросить данные у другого узла.

Кадр ошибки (error frame) передает устройство, обнаружившее ошибку в сети. Фрейм ошибки имеет наивысший приоритет и принимается всеми устройствами сети в обязательном порядке.

Кадр перегрузки (overload frame) используется очень редко. Его идея и назначение заключаются в том, что с его помощью устройство, которое в данный момент не может принять данные, запрашивает повторную передачу этих же данных.

Давайте вернемся чуть назад, к арбитражу данных, и рассмотрим, что это может означать на практике. Итак, несколько устройств начинают передачу сообщения, а точнее кадра данных. Передается бит начала кадра и затем начинается передача идентификатора сообщения. Как вы помните, приоритет будет у того устройства, которое будет передавать доминантный бит, в тот момент, когда все остальные будут передавать рецессивный. То есть чем «позже» среди битов идентификатора появится «рецессивный бит», тем выше будет его приоритет. Другими словами: более высокий приоритет при использовании интерфейса CAN имеют сообщения с меньшим значением идентификатора.

Первые два типа кадров — кадр данных и кадр удаленного запроса — отделяются от других кадров специальным межкадровым промежутком (паузой). А для фреймов ошибки и перегрузки предусмотрена передача без пауз, чтобы обеспечить их скорейшую обработку узлами сети.

Итак, что у нас на очереди теперь? Конечно же контроль ошибок — важнейший аспект работы протокола CAN. Стандарт предусматривает несколько механизмов:

• Во-первых, это контроль передачи битов — уровень сигнала в сети сравнивается с передаваемым для каждого бита.
• Второй механизм заключается в использовании дополнительных битов (stuffing bit). После передачи любых пяти одинаковых битов автоматически добавляется передача бита противоположного значения. Таким образом, при передаче шести одинаковых битов диагностируется ошибка stuffing’а. Этот механизм используется для кодирования всех полей фреймов данных и запроса. Исключением являются только поля промежутка подтверждения, разграничителя контрольной суммы и EOF.
• Стандартная процедура проверки контрольной суммы. Передатчик вычисляет контрольную сумму для текущего кадра и передает ее в линию. В свою очередь, приемник также вычисляет контрольную сумму для принимаемых данных и сравнивает ее с тем значением, которое было отправлено передатчиком. В случае не совпадения значений диагностируется ошибка CRC.
• Также выполняется контроль битов фрейма, которые должны иметь заранее определенное значение. В случае, если реальное значение не совпадает с тем, которое ожидается, возникает ошибка.

Благодаря всем этим механизмам, вероятность необнаружения ошибки является очень низкой, что, конечно же, не может не радовать 👍

Кроме того, если один из узлов обнаружил ошибку в сообщении, он сообщает об этом в сеть CAN при помощи фрейма ошибки. А поскольку сеть у нас широковещательная, то о возникновении ошибки становится известно всем участникам коммуникации. И если в сообщении была обнаружена ошибка, его передача будет осуществлена еще раз.

И на этом еще не все! Каждый узел может находиться в одном из трех состояний:

• Error Active
• Error Passive
• Bus Off

Протокол CAN предусматривает, что изначально, после старта, узел находится в первом из этих состояний — Error Active. Каждое устройство имеет два счетчика ошибок:

• Счетчик ошибок передачи
• Счетчик ошибок приема

Существуют определенные правила обслуживания этих счетчиков, которые сводятся к следующему. Передатчик, обнаруживший ошибку, увеличивает свой счетчик ошибок передачи быстрее, чем приемники увеличивают свои счетчики ошибок приема. Это связано с предположением, что при ошибке, вероятность того, что сбой произошел именно в передатчике, а не в приемнике, достаточно велика. На практике ошибка передачи увеличивает соответствующий счетчик на 8, а ошибка приема лишь на 1. При приеме или передаче корректного сообщения как счетчик ошибок передачи, так и счетчики ошибок приема уменьшаются на 1.

Если значение любого из этих двух счетчиков узла превысит значение 127, то узел переходит в состояние Error Passive. А если величина одного из счетчиков превысит 255, то узел перейдет в состояние Bus Off.

Разница между этими состояниями заключается в действиях узла при диагностировании ошибки:

• Узел в состоянии Error Active при обнаружении ошибки передает в шину Active Error Flags — 6 доминантных бит. Поскольку биты доминантные, то это сообщение нарушает обычную работу шины и поэтому все устройства сети также фиксируют возникновение ошибки.
• Узел в состоянии Error Passive при обнаружении ошибки передает в шину Passive Error Flags — 6 рецессивных бит, которые игнорируются всеми другими участниками обмена. Поэтому увеличивается только величина счетчика ошибок одного конкретного узла.
• И, наконец, узел в состоянии Bus Off ничего не передает в сеть — ни фреймы ошибок, ни фреймы данных, ни какие-либо другие.

Как видите, протокол CAN крайне интересен для изучения, надежен, безопасен, и удобен в использовании. И на этой позитивной ноте на сегодня заканчиваем, скоро займемся практической реализацией протокола, также поговорим о микросхемах и устройствах, обеспечивающих работу с CAN. Так что подписывайтесь на обновления, буду рад снова видеть вас на нашем сайте 🤝

Промышленная сеть реального времени CAN представляет собой сеть с общей средой передачи данных. Это означает, что все узлы сети одновременно принимают сигналы передаваемые по шине. Невозможно послать сообщение какому-либо конкретному узлу. Все узлы сети принимают весь трафик передаваемый по шине. Однако, CAN-контроллеры предоставляют аппаратную возможность фильтрации CAN-сообщений.

Каждый узел состоит из двух составляющих. Это собственно CAN контроллер, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол, и микропроцессор (CPU).

Рис. 1. Топология сети CAN.

CAN контроллеры соединяются с помощью дифференциальной шины, которая имеет две линии — CAN_H (can-high) и CAN_L (can-low), по которым передаются сигналы. Логический ноль регистрируется, когда на линии CAN_H сигнал выше, чем на линии CAN_L. Логическая единица — в случае когда сигналы CAN_H и CAN_L одинаковы (отличаются менее чем на 0.5 В). Использование такой дифференциальной схемы передачи делает возможным работу CAN сети в очень сложных внешних условиях. Логический ноль — называется доминантным битом, а логическая единица — рецессивным. Эти названия отражают приоритет логической единицы и нуля на шине CAN. При одновременной передаче в шину лог. нуля и единицы, на шине будет зарегестрирован только логический ноль (доминантный сигнал), а логическая единица будет подавлена (рецессивный сигнал).

Типы сообщений сети CAN.

Данные в CAN передаются короткими сообщениями-кадрами стандартного формата. В CAN существуют четыре типа сообщений:

• Data Frame
• Remote Frame
• Error Frame
• Overload Frame

Data Frame — это наиболее часто используемый тип сообщения. Он состоит из следующих основных частей:

• поле арбитража (arbitration field) определяет приоритет сообщения в случае, когда два или более узлов одновременно пытаются передать данные в сеть. Поле арбитража состоит в свою очередь из:
  • для стандарта CAN-2.0A, 11-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit)
  • для стандарта CAN-2.0B, 29-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit)

  Следует отметить, что поле идентификатора, несмотря на свое название никак не идентифицирует само по себе ни узел в сети, ни содержимое поля данных. Для Data кадра бит RTR всегда выставлен в логический ноль (доминантный сигнал).

• поле данных (data field) содержит от 0 до 8 байт данных
• поле CRC (CRC field) содержит 15-битную контрольную сумму сообщения, которая используется для обнаружения ошибок
• слот подтверждения (Acknowledgement Slot) (1 бит), каждый CAN-контроллер, который правильно принял сообщение посылает бит подтверждения в сеть. Узел, который послал сообщение слушает этот бит, и в случае если подтверждение не пришло, повторяет передачу. В случае приема слота подтверждения передающий узел может быть уверен лишь в том, что хотя бы один из узлов в сети правльно принял его сообщение.

Рис. 2. Data frame стандарта CAN 2.0A.

Remote Frame — это Data Frame без поля данных и с выставленным битом RTR (1 — рецессивные бит). Основное предназначение Remote кадра — это инициация одним из узлов сети передачи в сеть данных другим узлом. Такая схема позволяет уменьшить суммарный трафик сети. Однако, на практике Remote Frame сейчас используется редко (например, в DeviceNet Remote Frame вовсе не используется).

Error Frame — это сообщение которое явно нарушает формат солобщения CAN. Передача такого сообщения приводит к тому, что все узлы сети регистрируют ошибку формата CAN-кадра, и в свою очередь автоматически передают в сеть Error Frame. Результатом этого процесса является автоматическая повторная передача данных в сеть передающим узлом. Error Frame состоит из поля Error Flag, которое состоит из 6 бит одинакового значения (и таким образом Error frame нарушает проверку Bit Stuffing, см. ниже), и поля Error Delimiter, состоящее из 8 рецессивных битов. Error Delimiter дает возможность другим узлам сети обнаружив Error Frame послать в сеть свой Error Flag.

Overload Frame — повторяет структуру и логику работы Error кадра, с той разницей, что он используется перегруженным узлом, который в данный момент не может обработать поступающее сообщение, и поэтому просит при помощи Overload-кадра о повторной передаче данных. В настоящее время Overload-кадр практически не используется.

Контроль доступа к среде передачи (побитовый арбитраж).

Поле арбитража CAN-кадра используется в CAN для разрешения коллизий доступа к шине методом не деструктивного арбитража. Суть метода не деструктивного арбитража заключается в следующем. В случае, когда несколько контроллеров начинают одновременную передачу CAN кадра в сеть, каждый из них сравнивает, бит, который собирается передать на шину с битом, который пытается передать на шину конкурирующий контроллер. Если значения этих битов равны, оба контроллера передают следующий бит. И так происходит до тех пор, пока значения передаваемых битов не окажутся различными. Теперь контроллер, который передавал логический ноль (более приоритетный сигнал) будет продолжать передачу, а другой (другие) контроллер прервёт свою передачу до того времени, пока шина вновь не освободится. Конечно, если шина в данный момент занята, то контроллер не начнет передачу до момента её освобождения.

Рис. 3. Побитовый арбитраж на шине CAN.

Методы обнаружения ошибок.

CAN протокол определяет пять способов обнаружения ошибок в сети:

• Bit monitoring
• Bit stuffing
• Frame check
• ACKnowledgement Check
• CRC Check

Bit monitoring — каждый узел во время передачи битов в сеть сравнивает значение передаваемого им бита со значением бита которое появляется на шине. Если эти значения не совпадают, то узел генерирует ошибку Bit Error. Естественно, что во время арбитража на шине (передача поля арбитража в шину) этот механизм проверки ошибок отключается.

Bit stuffing — когда узел передает последовательно в шину 5 бит с одинаковым значением, то он добавляет шестой бит с противоположным значением. Принимающие узлы этот дополнительный бит удаляют. Если узел обнаруживает на шине больше 5 последовательных бит с одинаковым значением, то он генерирует ошибку Stuff Error.

Frame Check — некоторые части CAN-сообщения имеют одинаковое значение во всех типах сообщений. Т.е. протокол CAN точно определяет какие уровни напряжения и когда должны появляться на шине. Если формат сообщений нарушается, то узлы генерируют ошибку Form Error.

ACKnowledgement Check — каждый узел получив правильное сообщение по сети посылает в сеть доминантный (0) бит. Если же этого не происходит, то передающий узел регистрирует ошибку Acknowledgement Error.

CRC Check — каждое сообщение CAN содержит CRC сумму, и каждый принимающий узел подсчитывает значение CRC для каждого полученного сообщения. Если подсчитанное значение CRC суммы, не совпадает со значением CRC в теле сообщения, принимающий узел генерирует ошибку CRC Error.

Механизм ограничения ошибок (Error confinement).

Каждый узел сети CAN, во время работы пытается обнаружить одну из пяти возможных ошибок. Если ошибка обнаружена, узел передает в сеть Error Frame, разрушая тем самым весь текущий трафик сети (передачу и прием текущего сообщения). Все остальные узлы обнаруживают Error Frame и принимают соответствующие действия (сбрасывают принятое сообщение). Кроме того, каждый узел ведет два счетчика ошибок: Transmit Error Counter (счетчик ошибок передачи) и Receive Error Counter (счетчик ошибок приема). Эти счетчики увеличиваются или уменьшаются в соответствие с несколькими правилами. Сами правила управления счетчиками ошибок достаточно сложны, но сводятся к простому принципу, ошибка передачи приводит к увеличению Transmit Error счетчика на 8, ошибка приема увеличивает счетчик Receive Error на 1, любая корректная передача/прием сообщения уменшают соответствующий счетчик на 1. Эти правила приводят к тому, что счетчик ошибок передачи передающего узла увеличивается быстрее, чем счетчик ошибок приема принимающих узлов. Это правило соответствует предположению о большой вероятности того, что источником ошибок является передающий узел.

Каждый узел CAN сети может находится в одном из трех состояний. Когда узел стартует он находится в состоянии Error Active. Когда, значение хотя бы одного из двух счетчиков ошибок превышает предел 127, узел переходит в состояние Error Passive. Когда значение хотя бы одного из двух счетчиков превышает предел 255, узел переходит в состояние Bus Off.

Узел находящийся в состоянии Error Active в случае обнаружения ошибки на шине передает в сеть Active Error Flags. Active Error Flags сотстоит из 6 доминантных бит, поэтому все узлы его регистрируют. Узел в состоянии Passive Error передает в сеть Passive Error Flags при обнаружении ошибки в сети. Passive Error Flags состоит из 6 рецессивных бит, поэтому остальные узлы сети его не замечают, и Passive Error Flags лишь приводит к увеличению Error счетчика узла. Узел в состоянии Bus Off ничего не передает в сеть (не только Error кадры, но вообще никакие другие).

Адресация и протоколы высокого уровня

В CAN не существует явной адресации сообщений и узлов. Протокол CAN нигде не указывает что поле арбитража (Identification field + RTR) должно использоваться как идентификатор сообщения или узла. Таким образом, идентификаторы сообщений и адреса узлов могут находится в любом поле сообщения (в поле арбитража или в поле данных, или присутствовать и там, и там). Точно также протокол не запрещает использовать поле арбитража для передачи данных.

Утилизация поля арбитража и поля данных, и распределение адресов узлов, идентификаторов сообщений и приоритетов в сети является предметом рассмотрений так называемых протоколов высокого уровня (HLP — Higher Layer Protocols). Название HLP отражает тот факт, что протокол CAN описывает только два нижних уровня эталонной сетевой модели ISO/OSI, а остальные уровни описываются протоколами HLP.

Рис. 4. Логическая структура протокола CAN.

Существует множество таких высокоуровневых протоколов. Наиболее распространенные из них это:

• DeviceNet
• CAL/CANopen
• SDS
• CanKingdom

Физичекий уровень протокола CAN

Физический уровень (Physical Layer) протокола CAN определяет сопротивление кабеля, уровень электрических сигналов в сети и т.п. Существует несколько физических уровней протокола CAN (ISO 11898, ISO 11519, SAE J2411).

В подавляющем большинстве случаев используется физический уровень CAN определенный в стандарте ISO 11898. ISO 11898 в качестве среды передачи определяет двухпроводную дифференциальную линию с импедансом (терминаторы) 120 Ом (допускается колебание импеданса в пределах от 108 Ом до 132 Ом. Физический уровень CAN реализован в специальных чипах — CAN приемо-передатчиках (transceivers), которые преобразуют обычные TTL уровни сигналов используемых CAN-контроллерами в уровни сигналов на шине CAN. Наиболее распространенный CAN приемо-передатчик — Phillips 82C250, который полностью соответствует стандарту ISO 11898.

Махимальная скорость сети CAN в соответствие с протоколом равна 1 Mbit/sec. При скорости в 1 Mbit/sec максимальная длина кабеля равна примерно 40 метрам. Ограничение на длину кабеля связано с конечной скоростью света и механизмом побитового арбитража (во время арбитража все узлы сети должны получать текущий бит передачи одновременно, те сигнал должен успеть распространится по всему кабелю за единичный отсчет времени в сети. Соотношение между скоростью передачи и максимальной длиной кабеля приведено в таблице:

скорость передачи	максимальная длина сети
1000 Кбит/сек	40 метров
500 Кбит/сек	100 метров
250 Кбит/сек	200 метров
125 Кбит/сек	500 метров
10 Кбит/сек	6 километров

Разъемы для сети CAN до сих пор НЕ СТАНДАРТИЗОВАНЫ. Каждый протокол высокого уровня обычно определяет свой тип разъемов для CAN-сети.

A Controller Area Network (CAN bus) is a vehicle bus standard designed to allow microcontrollers and devices to communicate with each other’s applications without a host computer. It is a message-based protocol, designed originally for multiplex electrical wiring within automobiles to save on copper, but it can also be used in many other contexts. For each device, the data in a frame is transmitted serially but in such a way that if more than one device transmits at the same time, the highest priority device can continue while the others back off. Frames are received by all devices, including by the transmitting device.

History[edit]

Development of the CAN bus started in 1983 at Robert Bosch GmbH.^[1] The protocol was officially released in 1986 at the Society of Automotive Engineers (SAE) conference in Detroit, Michigan. The first CAN controller chips were introduced by Intel in 1987, and shortly thereafter by Philips.^[1] Released in 1991, the Mercedes-Benz W140 was the first production vehicle to feature a CAN-based multiplex wiring system.^[2][3]

Bosch published several versions of the CAN specification. The latest is CAN 2.0, published in 1991. This specification has two parts. Part A is for the standard format with an 11-bit identifier, and part B is for the extended format with a 29-bit identifier. A CAN device that uses 11-bit identifiers is commonly called CAN 2.0A, and a CAN device that uses 29-bit identifiers is commonly called CAN 2.0B. These standards are freely available from Bosch along with other specifications and white papers.^[4]

In 1993, the International Organization for Standardization (ISO) released CAN standard ISO 11898, which was later restructured into two parts: ISO 11898-1 which covers the data link layer, and ISO 11898-2 which covers the CAN physical layer for high-speed CAN. ISO 11898-3 was released later and covers the CAN physical layer for low-speed, fault-tolerant CAN. The physical layer standards ISO 11898-2 and ISO 11898-3 are not part of the Bosch CAN 2.0 specification.

In 2012, Bosch released CAN FD 1.0, or CAN with Flexible Data-Rate. This specification uses a different frame format that allows a different data length as well as optionally switching to a faster bit rate after the arbitration is decided. CAN FD is compatible with existing CAN 2.0 networks so new CAN FD devices can coexist on the same network with existing CAN devices. As of 2018, Bosch was active in extending CAN standards. ^[5]

The CAN bus is one of five protocols used in the on-board diagnostics (OBD)-II vehicle diagnostics standard. The OBD-II standard has been mandatory for all cars and light trucks sold in the United States since 1996. The EOBD standard has been mandatory for all petrol vehicles sold in the European Union since 2001 and all diesel vehicles since 2004.^[6]

Applications[edit]

• Passenger vehicles, trucks, buses (combustion vehicles and electric vehicles)
• Agricultural equipment
• Electronic equipment for aviation and navigation
• Industrial automation and mechanical control
• Elevators, escalators
• Building automation
• Medical instruments and equipment
• Pedelecs
• Model railways/railroads
• Ships and other maritime applications
• Lighting control systems
• 3D Printers
• Robotics/Automation

Automotive[edit]

The modern automobile may have as many as 70 electronic control units (ECU) for various subsystems.^[7] Traditionally, the biggest processor is the engine control unit. Others are used for Autonomous Driving, Advanced Driver Assistance System (ADAS), transmission, airbags, antilock braking/ABS, cruise control, electric power steering, audio systems, power windows, doors, mirror adjustment, battery and recharging systems for hybrid/electric cars, etc. Some of these form independent subsystems, but communication among others is essential. A subsystem may need to control actuators or receive feedback from sensors. The CAN standard was devised to fill this need. One key advantage is that interconnection between different vehicle systems can allow a wide range of safety, economy and convenience features to be implemented using software alone — functionality which would add cost and complexity if such features were hard wired using traditional automotive electrics. Examples include:

• Auto start/stop: Various sensor inputs from around the vehicle (speed sensors, steering angle, air conditioning on/off, engine temperature) are collated via the CAN bus to determine whether the engine can be shut down when stationary for improved fuel economy and emissions.
• Electric park brakes: The hill hold functionality takes input from the vehicle’s tilt sensor (also used by the burglar alarm) and the road speed sensors (also used by the ABS, engine control and traction control) via the CAN bus to determine if the vehicle is stopped on an incline. Similarly, inputs from seat belt sensors (part of the airbag controls) are fed from the CAN bus to determine if the seat belts are fastened, so that the parking brake will automatically release upon moving off.
• Parking assist systems: when the driver engages reverse gear, the transmission control unit can send a signal via the CAN bus to activate both the parking sensor system and the door control module for the passenger side door mirror to tilt downward to show the position of the curb. The CAN bus also takes inputs from the rain sensor to trigger the rear windscreen wiper when reversing.
• Auto lane assist/collision avoidance systems: The inputs from the parking sensors are also used by the CAN bus to feed outside proximity data to driver assist systems such as Lane Departure warning, and more recently, these signals travel through the CAN bus to actuate brake by wire in active collision avoidance systems.
• Auto brake wiping: Input is taken from the rain sensor (used primarily for the automatic windscreen wipers) via the CAN bus to the ABS module to initiate an imperceptible application of the brakes while driving to clear moisture from the brake rotors. Some high-performance Audi and BMW models incorporate this feature.
• Sensors can be placed at the most suitable place, and their data used by several ECUs. For example, outdoor temperature sensors (traditionally placed in the front) can be placed in the outside mirrors, avoiding heating by the engine, and data used by the engine, the climate control, and the driver display.

In recent years, the LIN bus (Local Interconnect Network) standard has been introduced to complement CAN for non-critical subsystems such as air-conditioning and infotainment, where data transmission speed and reliability are less critical.

Other[edit]

• The CAN bus protocol has been used on the Shimano DI2 electronic gear shift system for road bicycles since 2009, and is also used by the Ansmann and BionX systems in their direct drive motor.
• The CAN bus is also used as a fieldbus in general automation environments, primarily due to the low cost of some CAN controllers and processors.
• Manufacturers including NISMO aim to use CAN bus data to recreate real-life racing laps in the videogame Gran Turismo 6 using the game’s GPS Data Logger function, which would then allow players to race against real laps.^[8]
• Johns Hopkins University’s Applied Physics Laboratory’s Modular Prosthetic Limb (MPL) uses a local CAN bus to facilitate communication between servos and microcontrollers in the prosthetic arm.
• Teams in the FIRST Robotics Competition widely use CAN bus to communicate between the roboRIO and other robot control modules.
• The CueScript teleprompter range uses CAN bus protocol over coaxial cable, to connect its CSSC – Desktop Scroll Control to the main unit
• The CAN bus protocol is widely implemented due to its fault tolerance in electrically noisy environments such as model railroad sensor feedback systems by major commercial Digital Command Control system manufacturers and various open-source digital model railroad control projects.
• Shearwater Research have implemented the protocol as DiveCAN^[9] to use integrating their dive computers into Diving rebreathers from various manufacturers.

Architecture[edit]

Physical organization[edit]

CAN is a multi-master serial bus standard for connecting electronic control units (ECUs) also known as nodes (automotive electronics is a major application domain). Two or more nodes are required on the CAN network to communicate. A node may interface to devices from simple digital logic e.g. PLD, via FPGA up to an embedded computer running extensive software. Such a computer may also be a gateway allowing a general-purpose computer (like a laptop) to communicate over a USB or Ethernet port to the devices on a CAN network.

All nodes are connected to each other through a physically conventional two-wire bus. The wires are a twisted pair with a 120 Ω (nominal) characteristic impedance.

This bus uses differential wired-AND signals. Two signals, CAN high (CANH) and CAN low (CANL) are either driven to a «dominant» state with CANH > CANL, or not driven and pulled by passive resistors to a «recessive» state with CANH ≤ CANL. A 0 data bit encodes a dominant state, while a 1 data bit encodes a recessive state, supporting a wired-AND convention, which gives nodes with lower ID numbers priority on the bus.

ISO 11898-2, also called high-speed CAN (bit speeds up to 1 Mbit/s on CAN, 5 Mbit/s on CAN-FD), uses a linear bus terminated at each end with 120 Ω resistors.

High-speed CAN signaling drives the CANH wire towards 3.5 V and the CANL wire towards 1.5 V when any device is transmitting a dominant (0), while if no device is transmitting a dominant, the terminating resistors passively return the two wires to the recessive (1) state with a nominal differential voltage of 0 V. (Receivers consider any differential voltage of less than 0.5 V to be recessive.) The dominant differential voltage is a nominal 2 V. The dominant common mode voltage (CANH+CANL)/2 must be within 1.5 to 3.5 V of common, while the recessive common mode voltage must be within ±12  of common.

ISO 11898-3, also called low-speed or fault-tolerant CAN (up to 125 kbit/s), uses a linear bus, star bus or multiple star buses connected by a linear bus and is terminated at each node by a fraction of the overall termination resistance. The overall termination resistance should be close to, but not less than, 100 Ω.

Low-speed fault-tolerant CAN signaling operates similarly to high-speed CAN, but with larger voltage swings. The dominant state is transmitted by driving CANH towards the device power supply voltage (5 V or 3.3 V), and CANL towards 0 V when transmitting a dominant (0), while the termination resistors pull the bus to a recessive state with CANH at 0 V and CANL at 5 V. This allows a simpler receiver that just considers the sign of CANH−CANL. Both wires must be able to handle −27 to +40 V without damage.

Electrical properties[edit]

With both high-speed and low-speed CAN, the speed of the transition is faster when a recessive to dominant transition occurs since the CAN wires are being actively driven. The speed of the dominant to recessive transition depends primarily on the length of the CAN network and the capacitance of the wire used.

High-speed CAN is usually used in automotive and industrial applications where the bus runs from one end of the environment to the other. Fault-tolerant CAN is often used where groups of nodes need to be connected together.

The specifications require the bus be kept within a minimum and maximum common mode bus voltage but do not define how to keep the bus within this range.

The CAN bus must be terminated. The termination resistors are needed to suppress reflections as well as return the bus to its recessive or idle state.

High-speed CAN uses a 120 Ω resistor at each end of a linear bus. Low-speed CAN uses resistors at each node. Other types of terminations may be used such as the Terminating Bias Circuit defined in ISO11783.^[10]

A terminating bias circuit provides power and ground in addition to the CAN signaling on a four-wire cable. This provides automatic electrical bias and termination at each end of each bus segment. An ISO11783 network is designed for hot plug-in and removal of bus segments and ECUs.

Nodes[edit]

Each node requires a

• Central processing unit, microprocessor, or host processor
  • The host processor decides what the received messages mean and what messages it wants to transmit.
  • Sensors, actuators and control devices can be connected to the host processor.
• CAN controller- often an integral part of the microcontroller
  • Receiving: the CAN controller stores the received serial bits from the bus until an entire message is available, which can then be fetched by the host processor (usually by the CAN controller triggering an interrupt).
  • Sending: the host processor sends the transmit message(s) to a CAN controller, which transmits the bits serially onto the bus when the bus is free.
• Transceiver Defined by ISO 11898-2/3 Medium Access Unit [MAU] standards
  • Receiving: it converts the data stream from CAN bus levels to levels that the CAN controller uses. It usually has protective circuitry to protect the CAN controller.
  • Transmitting: it converts the data stream from the CAN controller to CAN bus levels.

Each node is able to send and receive messages, but not simultaneously. A message or Frame consists primarily of the ID (identifier), which represents the priority of the message, and up to eight data bytes. A CRC, acknowledge slot [ACK] and other overhead are also part of the message. The improved CAN FD extends the length of the data section to up to 64 bytes per frame. The message is transmitted serially onto the bus using a non-return-to-zero (NRZ) format and may be received by all nodes.

The devices that are connected by a CAN network are typically sensors, actuators, and other control devices. These devices are connected to the bus through a host processor, a CAN controller, and a CAN transceiver.

Data transmission[edit]

CAN data transmission uses a lossless bitwise arbitration method of contention resolution. This arbitration method requires all nodes on the CAN network to be synchronized to sample every bit on the CAN network at the same time. This is why some call CAN synchronous. Unfortunately the term synchronous is imprecise since the data is transmitted in an asynchronous format, namely without a clock signal.

The CAN specifications use the terms dominant bits and recessive bits, where dominant is a logical 0 (actively driven to a voltage by the transmitter) and recessive is a logical 1 (passively returned to a voltage by a resistor). The idle state is represented by the recessive level (Logical 1). If one node transmits a dominant bit and another node transmits a recessive bit then there is a collision and the dominant bit wins. This means there is no delay to the higher-priority message, and the node transmitting the lower-priority message automatically attempts to re-transmit six-bit clocks after the end of the dominant message. This makes CAN very suitable as a real-time prioritized communications system.

The exact voltages for a logical 0 or 1 depend on the physical layer used, but the basic principle of CAN requires that each node listen to the data on the CAN network including the transmitting node(s) itself (themselves). If a logical 1 is transmitted by all transmitting nodes at the same time, then a logical 1 is seen by all of the nodes, including both the transmitting node(s) and receiving node(s). If a logical 0 is transmitted by all transmitting node(s) at the same time, then a logical 0 is seen by all nodes. If a logical 0 is being transmitted by one or more nodes, and a logical 1 is being transmitted by one or more nodes, then a logical 0 is seen by all nodes including the node(s) transmitting the logical 1. When a node transmits a logical 1 but sees a logical 0, it realizes that there is a contention and it quits transmitting. By using this process, any node that transmits a logical 1, when another node transmits a logical 0, loses the arbitration and drops out. A node that loses arbitration re-queues its message for later transmission and the CAN frame bit-stream continues without error until only one node is left transmitting. This means that the node that transmits the first 1 loses arbitration. Since the 11 (or 29 for CAN 2.0B) bit identifier is transmitted by all nodes at the start of the CAN frame, the node with the lowest identifier transmits more zeros at the start of the frame, and that is the node that wins the arbitration or has the highest priority.

For example, consider an 11-bit ID CAN network, with two nodes with IDs of 15 (binary representation, 00000001111) and 16 (binary representation, 00000010000). If these two nodes transmit at the same time, each will first transmit the start bit then transmit the first six zeros of their ID with no arbitration decision being made.

	Start bit	ID bits	The rest of the frame
10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
Node 15	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1
Node 16	0	0	0	0	0	0	0	1	Stopped Transmitting
CAN data	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1

When ID bit 4 is transmitted, the node with the ID of 16 transmits a 1 (recessive) for its ID, and the node with the ID of 15 transmits a 0 (dominant) for its ID. When this happens, the node with the ID of 16 knows it transmitted a 1, but sees a 0 and realizes that there is a collision and it lost arbitration. Node 16 stops transmitting which allows the node with ID of 15 to continue its transmission without any loss of data. The node with the lowest ID will always win the arbitration and therefore has the highest priority.

Bit rates up to 1 Mbit/s are possible at network lengths below 40 m. Decreasing the bit rate allows longer network distances (e.g. 500 m at 125 kbit/s). The improved CAN FD standard allows increasing the bit rate after arbitration and can increase the speed of the data section by a factor of up to ten or more of the arbitration bit rate.

ID allocation[edit]

Message IDs must be unique^[11] on a single CAN bus, otherwise two nodes would continue transmission beyond the end of the arbitration field (ID) causing an error.

In the early 1990s, the choice of IDs for messages was done simply on the basis of identifying the type of data and the sending node; however, as the ID is also used as the message priority, this led to poor real-time performance. In those scenarios, a low CAN bus use of around 30% was commonly required to ensure that all messages would meet their deadlines. However, if IDs are instead determined based on the deadline of the message, the lower the numerical ID and hence the higher the message priority, then bus use of 70 to 80% can typically be achieved before any message deadlines are missed.^[12]

Bit timing[edit]

All nodes on the CAN network must operate at the same nominal bit rate, but noise, phase shifts, oscillator tolerance and oscillator drift mean that the actual bit rate might not be the nominal bit rate.^[13] Since a separate clock signal is not used, a means of synchronizing the nodes is necessary. Synchronization is important during arbitration since the nodes in arbitration must be able to see both their transmitted data and the other nodes’ transmitted data at the same time. Synchronization is also important to ensure that variations in oscillator timing between nodes do not cause errors.

Synchronization starts with a hard synchronization on the first recessive to dominant transition after a period of bus idle (the start bit). Resynchronization occurs on every recessive to dominant transition during the frame. The CAN controller expects the transition to occur at a multiple of the nominal bit time. If the transition does not occur at the exact time the controller expects it, the controller adjusts the nominal bit time accordingly.

The adjustment is accomplished by dividing each bit into a number of time slices called quanta, and assigning some number of quanta to each of the four segments within the bit: synchronization, propagation, phase segment 1 and phase segment 2.

The number of quanta the bit is divided into can vary by controller, and the number of quanta assigned to each segment can be varied depending on bit rate and network conditions.

A transition that occurs before or after it is expected causes the controller to calculate the time difference and lengthen phase segment 1 or shorten phase segment 2 by this time. This effectively adjusts the timing of the receiver to the transmitter to synchronize them. This resynchronization process is done continuously at every recessive to dominant transition to ensure the transmitter and receiver stay in sync. Continuously resynchronizing reduces errors induced by noise, and allows a receiving node that was synchronized to a node that lost arbitration to resynchronize to the node which won arbitration.

Layers[edit]

The CAN protocol, like many networking protocols, can be decomposed into the following abstraction layers:

Application layer

Object layer

• Message filtering
• Message and status handling

Transfer layer

Most of the CAN standard applies to the transfer layer. The transfer layer receives messages from the physical layer and transmits those messages to the object layer. The transfer layer is responsible for bit timing and synchronization, message framing, arbitration, acknowledgment, error detection and signaling, and fault confinement. It performs:

• Fault confinement
• Error detection
• Message validation
• Acknowledgement
• Arbitration
• Message framing
• Transfer rate and timing
• Information routing

Physical layer

CAN bus (ISO 11898-1:2003) originally specified the link layer protocol with only abstract requirements for the physical layer, e.g., asserting the use of a medium with multiple-access at the bit level through the use of dominant and recessive states. The electrical aspects of the physical layer (voltage, current, number of conductors) were specified in ISO 11898-2:2003, which is now widely accepted. However, the mechanical aspects of the physical layer (connector type and number, colors, labels, pin-outs) have yet to be formally specified. As a result, an automotive ECU will typically have a particular—often custom—connector with various sorts of cables, of which two are the CAN bus lines. Nonetheless, several de facto standards for mechanical implementation have emerged, the most common being the 9-pin D-sub type male connector with the following pin-out:

• pin 2: CAN-Low (CAN−)
• pin 3: GND (ground)
• pin 7: CAN-High (CAN+)
• pin 9: CAN V+ (power)

This de facto mechanical standard for CAN could be implemented with the node having both male and female 9-pin D-sub connectors electrically wired to each other in parallel within the node. Bus power is fed to a node’s male connector and the bus draws power from the node’s female connector. This follows the electrical engineering convention that power sources are terminated at female connectors. Adoption of this standard avoids the need to fabricate custom splitters to connect two sets of bus wires to a single D connector at each node. Such nonstandard (custom) wire harnesses (splitters) that join conductors outside the node reduce bus reliability, eliminate cable interchangeability, reduce compatibility of wiring harnesses, and increase cost.

The absence of a complete physical layer specification (mechanical in addition to electrical) freed the CAN bus specification from the constraints and complexity of physical implementation. However, it left CAN bus implementations open to interoperability issues due to mechanical incompatibility. In order to improve interoperability, many vehicle makers have generated specifications describing a set of allowed CAN transceivers in combination with requirements on the parasitic capacitance on the line. The allowed parasitic capacitance includes both capacitors as well as ESD protection (ESD^[14] against ISO 7637-3). In addition to parasitic capacitance, 12V and 24V systems do not have the same requirements in terms of line maximum voltage. Indeed, during jump start events light vehicle lines can go up to 24V while truck systems can go as high as 36V. New solutions are emerging, allowing the same component to be used for CAN as well as CAN FD (see ^[15]).

Noise immunity on ISO 11898-2:2003 is achieved by maintaining the differential impedance of the bus at a low level with low-value resistors (120 ohms) at each end of the bus. However, when dormant, a low-impedance bus such as CAN draws more current (and power) than other voltage-based signaling buses. On CAN bus systems, balanced line operation, where current in one signal line is exactly balanced by current in the opposite direction in the other signal provides an independent, stable 0 V reference for the receivers. Best practice determines that CAN bus balanced pair signals be carried in twisted pair wires in a shielded cable to minimize RF emission and reduce interference susceptibility in the already noisy RF environment of an automobile.

ISO 11898-2 provides some immunity to common mode voltage between transmitter and receiver by having a 0 V rail running along the bus to maintain a high degree of voltage association between the nodes. Also, in the de facto mechanical configuration mentioned above, a supply rail is included to distribute power to each of the transceiver nodes. The design provides a common supply for all the transceivers. The actual voltage to be applied by the bus and which nodes apply to it are application-specific and not formally specified. Common practice node design provides each node with transceivers that are optically isolated from their node host and derive a 5 V linearly regulated supply voltage for the transceivers from the universal supply rail provided by the bus. This usually allows operating margin on the supply rail sufficient to allow interoperability across many node types. Typical values of supply voltage on such networks are 7 to 30 V. However, the lack of a formal standard means that system designers are responsible for supply rail compatibility.

ISO 11898-2 describes the electrical implementation formed from a multi-dropped single-ended balanced line configuration with resistor termination at each end of the bus.
In this configuration a dominant state is asserted by one or more transmitters switching the CAN− to supply 0 V and (simultaneously) switching CAN+ to the +5 V bus voltage thereby forming a current path through the resistors that terminate the bus. As such the terminating resistors form an essential component of the signaling system, and are included, not just to limit wave reflection at high frequency.

During a recessive state, the signal lines and resistor(s) remain in a high-impedance state with respect to both rails. Voltages on both CAN+ and CAN− tend (weakly) towards a voltage midway between the rails. A recessive state is present on the bus only when none of the transmitters on the bus is asserting a dominant state.

During a dominant state, the signal lines and resistor(s) move to a low-impedance state with respect to the rails so that current flows through the resistor. CAN+ voltage tends to +5 V and CAN− tends to 0 V.

Irrespective of signal state the signal lines are always in a low-impedance state with respect to one another by virtue of the terminating resistors at the end of the bus.

This signaling strategy differs significantly from other balanced line transmission technologies such as RS-422/3, RS-485, etc. which employ differential line drivers/ receivers and use a signaling system based on the differential mode voltage of the balanced line crossing a notional 0 V. Multiple access on such systems normally relies on the media supporting three states (active high, active low and inactive tri-state) and is dealt with in the time domain. Multiple access on CAN bus is achieved by the electrical logic of the system supporting just two states that are conceptually analogous to a ‘wired AND’ network.

Frames[edit]

A CAN network can be configured to work with two different message (or frame) formats: the standard or base frame format (described in CAN 2.0 A and CAN 2.0 B), and the extended frame format (described only by CAN 2.0 B). The only difference between the two formats is that the CAN base frame supports a length of 11 bits for the identifier, and the CAN extended frame supports a length of 29 bits for the identifier, made up of the 11-bit identifier (base identifier) and an 18-bit extension (identifier extension). The distinction between CAN base frame format and CAN extended frame format is made by using the IDE bit, which is transmitted as dominant in case of an 11-bit frame, and transmitted as recessive in case of a 29-bit frame. CAN controllers that support extended frame format messages are also able to send and receive messages in CAN base frame format. All frames begin with a start-of-frame (SOF) bit that denotes the start of the frame transmission.

CAN has four frame types:

• Data frame: a frame containing node data for transmission
• Remote frame: a frame requesting the transmission of a specific identifier
• Error frame: a frame transmitted by any node detecting an error
• Overload frame: a frame to inject a delay between data or remote frame

Data frame[edit]

The data frame is the only frame for actual data transmission. There are two message formats:

• Base frame format: with 11 identifier bits
• Extended frame format: with 29 identifier bits

The CAN standard requires that the implementation must accept the base frame format and may accept the extended frame format, but must tolerate the extended frame format.

Base frame format[edit]

The frame format is as follows: The bit values are described for CAN-LO signal.

Field name	Length (bits)	Purpose
Start-of-frame	1	Denotes the start of frame transmission
Identifier (green)	11	A (unique) identifier which also represents the message priority
Stuff bit	1	A bit of the opposite polarity to maintain synchronisation; see § Bit stuffing
Remote transmission request (RTR) (blue)	1	Must be dominant (0) for data frames and recessive (1) for remote request frames (see Remote Frame, below)
Identifier extension bit (IDE)	1	Must be dominant (0) for base frame format with 11-bit identifiers
Reserved bit (r0)	1	Reserved bit. Must be dominant (0), but accepted as either dominant or recessive.
Data length code (DLC) (yellow)	4	Number of bytes of data (0–8 bytes)[a]
Data field (red)	0–64 (0-8 bytes)	Data to be transmitted (length in bytes dictated by DLC field)
CRC	15	Cyclic redundancy check
CRC delimiter	1	Must be recessive (1)
ACK slot	1	Transmitter sends recessive (1) and any receiver can assert a dominant (0)
ACK delimiter	1	Must be recessive (1)
End-of-frame (EOF)	7	Must be recessive (1)
Inter-frame spacing (IFS)	3	Must be recessive (1)

Extended frame format[edit]

The frame format is as follows on from here in the table below:

Field name	Length (bits)	Purpose
Start-of-frame	1	Denotes the start of frame transmission
Identifier A (green)	11	First part of the (unique) identifier which also represents the message priority
Substitute remote request (SRR)	1	Must be recessive (1)
Identifier extension bit (IDE)	1	Must be recessive (1) for extended frame format with 29-bit identifiers
Identifier B (green)	18	Second part of the (unique) identifier which also represents the message priority
Remote transmission request (RTR) (blue)	1	Must be dominant (0) for data frames and recessive (1) for remote request frames (see Remote Frame, below)
Reserved bits (r1, r0)	2	Reserved bits which must be set dominant (0), but accepted as either dominant or recessive
Data length code (DLC) (yellow)	4	Number of bytes of data (0–8 bytes)[a]
Data field (red)	0–64 (0-8 bytes)	Data to be transmitted (length dictated by DLC field)
CRC	15	Cyclic redundancy check
CRC delimiter	1	Must be recessive (1)
ACK slot	1	Transmitter sends recessive (1) and any receiver can assert a dominant (0)
ACK delimiter	1	Must be recessive (1)
End-of-frame (EOF)	7	Must be recessive (1)

The two identifier fields (A & B) combine to form a 29-bit identifier.

Remote frame[edit]

• Generally data transmission is performed on an autonomous basis with the data source node (e.g., a sensor) sending out a data frame. It is also possible, however, for a destination node to request the data from the source by sending a remote frame.
• There are two differences between a data frame and a remote frame. Firstly the RTR-bit is transmitted as a dominant bit in the data frame and secondly in the remote frame there is no data field. The DLC field indicates the data length of the requested message (not the transmitted one).
  I.e.,

RTR = 0 ; DOMINANT in data frame

RTR = 1 ; RECESSIVE in remote frame

In the event of a data frame and a remote frame with the same identifier being transmitted at the same time, the data frame wins arbitration due to the dominant RTR bit following the identifier.

Error frame[edit]

The error frame consists of two different fields:

• The first field is given by the superposition of ERROR FLAGS (6–12 dominant/recessive bits) contributed from different stations.
• The following second field is the ERROR DELIMITER (8 recessive bits).

There are two types of error flags:

Active Error Flag

six dominant bits – Transmitted by a node detecting an error on the network that is in error state error active.

Passive Error Flag

six recessive bits – Transmitted by a node detecting an active error frame on the network that is in error state error passive.

There are two error counters in CAN:

1. Transmit error counter (TEC)
2. Receive error counter (REC)

• When TEC or REC is greater than 127 and less than 255, a Passive Error frame will be transmitted on the bus.
• When TEC and REC is less than 128, an Active Error frame will be transmitted on the bus.
• When TEC is greater than 255, then the node enters into Bus Off state, where no frames will be transmitted.

Overload frame[edit]

The overload frame contains the two bit fields: Overload Flag and Overload Delimiter. There are two kinds of overload conditions that can lead to the transmission of an overload flag:

1. The internal conditions of a receiver, which requires a delay of the next data frame or remote frame.
2. Detection of a dominant bit during intermission.

The start of an overload frame due to case 1 is only allowed to be started at the first bit time of an expected intermission, whereas overload frames due to case 2 start one bit after detecting the dominant bit. Overload Flag consists of six dominant bits. The overall form corresponds to that of the active error flag. The overload flag’s form destroys the fixed form of the intermission field. As a consequence, all other stations also detect an overload condition and on their part start transmission of an overload flag. Overload Delimiter consists of eight recessive bits. The overload delimiter is of the same form as the error delimiter.

ACK slot[edit]

The acknowledge slot is used to acknowledge the receipt of a valid CAN frame. Each node that receives the frame, without finding an error, transmits a dominant level in the ACK slot and thus overrides the recessive level of the transmitter. If a transmitter detects a recessive level in the ACK slot, it knows that no receiver found a valid frame. A receiving node may transmit a recessive to indicate that it did not receive a valid frame, but another node that did receive a valid frame may override this with a dominant. The transmitting node cannot know that the message has been received by all of the nodes on the CAN network.

Often, the mode of operation of the device is to re-transmit unacknowledged frames over and over. This may lead to eventually entering the error passive state.

Interframe spacing[edit]

Data frames and remote frames are separated from preceding frames by a bit field called interframe space. Interframe space consists of at least three consecutive recessive (1) bits. Following that, if a dominant bit is detected, it will be regarded as the Start of frame bit of the next frame. Overload frames and error frames are not preceded by an interframe space and multiple overload frames are not separated by an interframe space. Interframe space contains the bit fields intermission and bus idle, and suspend transmission for error passive stations, which have been transmitter of the previous message.^[16]

Bit stuffing[edit]

To ensure enough transitions to maintain synchronization, a bit of opposite polarity is inserted after five consecutive bits of the same polarity. This practice is called bit stuffing, and is necessary due to the non-return-to-zero (NRZ) coding used with CAN. The stuffed data frames are destuffed by the receiver.

All fields in the frame are stuffed with the exception of the CRC delimiter, ACK field and end of frame which are a fixed size and are not stuffed. In the fields where bit stuffing is used, six consecutive bits of the same polarity (111111 or 000000) are considered an error. An active error flag can be transmitted by a node when an error has been detected. The active error flag consists of six consecutive dominant bits and violates the rule of bit stuffing.

Bit stuffing means that data frames may be larger than one would expect by simply enumerating the bits shown in the tables above. The maximum increase in size of a CAN frame (base format) after bit stuffing is in the case

11111000011110000…

which is stuffed as (stuffing bits in bold):

111110000011111000001…

The stuffing bit itself may be the first of the five consecutive identical bits, so in the worst case there is one stuffing bit per four original bits.

The size of a base frame is bounded by

where n is the number of data bytes, a maximum of 8.

Since is the size of the frame before stuffing, in the worst case one bit will be added every four original bits after the first one (hence the −1 at the numerator) and, because of the layout of the bits of the header, only 34 out of 44 of them can be subject to bit stuffing.

frame type	before stuffing	after stuffing	stuffing bits	total frame length
base frame
extended frame

An undesirable side effect of the bit stuffing scheme is that a small number of bit errors in a received message may corrupt the destuffing process, causing a larger number of errors to propagate through the destuffed message. This reduces the level of protection that would otherwise be offered by the CRC against the original errors. This deficiency of the protocol has been addressed in CAN FD frames by the use of a combination of fixed stuff bits and a counter that records the number of stuff bits inserted.

CAN lower-layer standards[edit]

ISO 11898 series specifies physical and data link layer (levels 1 and 2 of the ISO/OSI model) of serial communication category called Controller Area Network that supports distributed real-time control and multiplexing for use within road vehicles.^[17]

There are several CAN physical layer and other standards:

ISO 11898-1:2015 specifies the data link layer (DLL) and physical signalling of the controller area network (CAN).^[18] This document describes the general architecture of CAN in terms of hierarchical layers according to the ISO reference model for open systems interconnection (OSI) established in ISO/IEC 7498-1 and provides the characteristics for setting up an interchange of digital information between modules implementing the CAN DLL with detailed specification of the logical link control (LLC) sublayer and medium access control (MAC) sublayer.

ISO 11898-2:2016 specifies the high-speed (transmission rates of up to 1 Mbit/s) medium access unit (MAU), and some medium-dependent interface (MDI) features (according to ISO 8802-3), which comprise the physical layer of the controller area network. ISO 11898-2 uses a two-wire balanced signaling scheme. It is the most used physical layer in vehicle powertrain applications and industrial control networks.

ISO 11898-3:2006 specifies low-speed, fault-tolerant, medium-dependent interface for setting up an interchange of digital information between electronic control units of road vehicles equipped with the CAN at transmission rates above 40 kbit/s up to 125 kbit/s.

ISO 11898-4:2004 specifies time-triggered communication in the CAN (TTCAN). It is applicable to setting up a time-triggered interchange of digital information between electronic control units (ECU) of road vehicles equipped with CAN, and specifies the frame synchronization entity that coordinates the operation of both logical link and media access controls in accordance with ISO 11898-1, to provide the time-triggered communication schedule.

ISO 11898-5:2007 specifies the CAN physical layer for transmission rates up to 1 Mbit/s for use within road vehicles. It describes the medium access unit functions as well as some medium-dependent interface features according to ISO 8802-2. This represents an extension of ISO 11898-2, dealing with new functionality for systems requiring low-power consumption features while there is no active bus communication.

ISO 11898-6:2013 specifies the CAN physical layer for transmission rates up to 1 Mbit/s for use within road vehicles. It describes the medium access unit functions as well as some medium-dependent interface features according to ISO 8802-2. This represents an extension of ISO 11898-2 and ISO 11898-5, specifying a selective wake-up mechanism using configurable CAN frames.

ISO 16845-1:2016 provides the methodology and abstract test suite necessary for checking the conformance of any CAN implementation of the CAN specified in ISO 11898-1.

ISO 16845-2:2018 establishes test cases and test requirements to realize a test plan verifying if the CAN transceiver with implemented selective wake-up functions conform to the specified functionalities. The kind of testing defined in ISO 16845-2:2018 is named as conformance testing.

CAN-based higher-layer protocols[edit]

As the CAN standard does not include common communication features, such as flow control, device addressing, and transportation of data blocks larger than one message, and above all, application data, many implementations of higher layer protocols were created. Several are standardized for a business area, although all can be extended by each manufacturer. For passenger cars, each manufacturer has its own standard.

CAN in Automation (CiA) is the international users’ and manufacturers’ organization that develops and supports CAN-based higher-layer protocols and their international standardization.^[19] Among these specifications are:

Standardized approaches[edit]

• ARINC 812 or ARINC 825 (aviation industry)
• CANopen — CiA 301/302-2 and EN 50325-4 (industrial automation)
• IEC 61375-3-3 (use of CANopen in rail vehicles)
• DeviceNet (industrial automation)
• EnergyBus — CiA 454 and IEC 61851-3 (battery–charger communication)
• ISOBUS — ISO 11783 (agriculture)
• ISO-TP — ISO 15765-2 (transport protocol for automotive diagnostics)
• MilCAN (military vehicles)
• NMEA 2000 — IEC 61162-3 (marine industry)
• SAE J1939 (in-vehicle network for buses and trucks)
• SAE J2284 (in-vehicle networks for passenger cars)
• Unified Diagnostic Services (UDS) — ISO 14229 (automotive diagnostics)
• LeisureCAN — open standard for the leisure craft/vehicle industry

Other approaches[edit]

• CANaerospace — Stock (for the aviation industry)
• CAN Kingdom — Kvaser (embedded control system)
• CCP/XCP (automotive ECU calibration)
• GMLAN — General Motors (for General Motors)
• RV-C — RVIA (used for recreational vehicles)
• SafetyBUS p — Pilz (used for industrial automation)
• UAVCAN (aerospace and robotics)
• CSP (CubeSat Space Protocol)
• VSCP (Very Simple Control Protocol) a free automation protocol suitable for all sorts of automation tasks

CANopen Lift[edit]

The CANopen Special Interest Group (SIG) «Lift Control», which was founded in 2001, develops the CANopen application profile CiA 417 for lift control systems. It works on extending the features, improves technical content and ensures that the current legal standards for lift control systems are met. The first version of CiA 417 was published (available for CiA members) in summer 2003, version 2.0 in February 2010, version 2.1.0 in July 2012, version 2.2.0 in December 2015, and version 2.3.1 in February 2020.

Jörg Hellmich (ELFIN GmbH) is the chairman of this SIG and manages a wiki of the CANopen lift community with content about CANopen lift.

Security[edit]

CAN is a low-level protocol and does not support any security features intrinsically. There is also no encryption in standard CAN implementations, which leaves these networks open to man-in-the-middle frame interception. In most implementations, applications are expected to deploy their own security mechanisms; e.g., to authenticate incoming commands or the presence of certain devices on the network. Failure to implement adequate security measures may result in various sorts of attacks if the opponent manages to insert messages on the bus.^[20] While passwords exist for some safety-critical functions, such as modifying firmware, programming keys, or controlling antilock brake actuators, these systems are not implemented universally and have a limited number of seed/key pairs.

Development tools[edit]

When developing or troubleshooting the CAN bus, examination of hardware signals can be very important. Logic analyzers and bus analyzers are tools that collect, analyse, decode and store signals so people can view the high-speed waveforms at their leisure. There are also specialist tools as well as CAN bus monitors.

A CAN bus monitor is an analysis tool, often a combination of hardware and software, used during development of hardware that uses the CAN bus.

Typically the CAN bus monitor will listen to the traffic on the CAN bus in order to display it in a user interface. Often the CAN bus monitor offers the possibility to simulate CAN bus activity by sending CAN frames to the bus. The CAN bus monitor can therefore be used to validate expected CAN traffic from a given device or to simulate CAN traffic in order to validate the reaction from a given device connected to the CAN bus.

Licensing[edit]

Bosch holds patents on the technology, though those related to the original protocol have now expired. Manufacturers of CAN-compatible microprocessors pay license fees to Bosch for use of the CAN trademark and any of the newer patents related to CAN FD, and these are normally passed on to the customer in the price of the chip. Manufacturers of products with custom ASICs or FPGAs containing CAN-compatible modules need to pay a fee for the CAN Protocol License if they wish to use the CAN trademark or CAN FD capabilities.^[21]

See also[edit]

• Byteflight
• Car audio – Entertainment electronics in cars
• CAN bus monitor – Standard for communication between devices without host computer
• CANopen — Communication protocol for embedded systems
• CANpie – Open source device driver for CAN
• CAN FD – New implementation of CAN with a faster transmission
• can4linux – Open source Linux device driver for CAN
• FlexCAN – An alternative implementation.
• FlexRay – High-speed alternative to CAN
• List of network buses – List of single collision domain electronic communication bus systems
• Local Interconnect Network – A low cost alternative
• Modbus – Serial communications protocol mainly developed for programmable logic controllers
• MOST bus – High-speed multimedia network technology used in the automotive industry
• OBD-II PIDs – List of Parameter IDs
• OSEK – Specifications for embedded operating systems within automotives
• SAE J1939 — Communication protocol for trucks and busses
• SocketCAN – A set of open-source CAN drivers and a networking stack contributed by Volkswagen Research to the Linux kernel.

References[edit]

External links[edit]

Specifications

• ISO 11898-1 Standard (2015) — includes CAN and CAN-FD specifications
• Bosch CAN Specification Version 2.0 (1991, 1997) — also known as Classical CAN and CAN-Classic
• Bosch CAN-FD Specification Version 1.0 (2012) — increase data rates up to 8 Mbit/s
• Bosch CAN-XL (future) — increase data rates up to 20 Mbit/s
• Bosch CAN-FD-Light (future) — cost-optimized subset of CAN-FD

Other

• Controller Area Network (CAN) Schedulability Analysis: Refuted, Revisited and Revised
• Pinouts for common CAN bus connectors
• A webpage about CAN in automotive
• Controller Area Network (CAN) Schedulability Analysis with FIFO Queues
• Controller Area Network (CAN) Implementation Guide
• Freeware Bit-Timing calculator for Windows, supports a lot of microcontrollers, e.g. Atmel, STM32, Microchip, Renesas, … (ZIPfile)
• Free e-learning module «Introduction to CAN»
• ARINC-825 Tutorial (video) from Excalibur Systems Inc.
• Website of CiA
• CAN Newsletter Online
• Understanding and Using the Controller Area Network from UC Berkeley
• CAN Protocol Tutorial
• ESD protection for CAN bus and CAN FD

Вернуться к статьям

27 октября 2020

По материалам компании Kvaser

Эта статья не претендует на полноту и абсолютную точность сведений, указанных в ней, и предназначена для ознакомления с протоколом CAN.

Содержание статьи

• Шина CAN – Введение.

• Сообщения CAN.

• Физические уровни CAN.

• Разъемы CAN.

• Тактовая синхронизация CAN.

• Обработка ошибок CAN.

Шина CAN – Введение

Протокол CAN является стандартом ISO (ISO 11898) в области последовательной передачи данных. Протокол был разработан с прицелом на использование в транспортных приложениях. Сегодня CAN получил широкое распространение и используется в системах автоматизации промышленного производства, а также на транспорте.

Стандарт CAN состоит из физического уровня и уровня передачи данных, определяющего несколько различных типов сообщений, правила разрешения конфликтов при доступе к шине и защиту от сбоев.

Протокол CAN

Протокол CAN описан в стандарте ISO 11898–1 и может быть кратко охарактеризован следующим образом:

• физический уровень использует дифференциальную передачу данных по витой паре;

• для управления доступом к шине используется неразрушающее bit–wise разрешение конфликтов;

• сообщения имеют малые размеры (по большей части 8 байт данных) и защищены контрольной суммой;

• в сообщениях отсутствуют явные адреса, вместо этого каждое сообщение содержит числовое значение, которое управляет его очередностью на шине, а также может служить идентификатором содержимого сообщения;

• продуманная схема обработки ошибок, обеспечивающая повторную передачу сообщений, если они не были получены должным образом;
• имеются эффективные средства для изоляции сбоев и удаления сбойных узлов с шины.

Протоколы более высоких уровней

Сам по себе протокол CAN определяет всего лишь, как малые пакеты данных можно безопасно переместить из точки A в точку B посредством коммуникационной среды. Он, как и следовало ожидать, ничего не говорит о том, как управлять потоком; передавать большое количество данных, нежели помещается в 8–байтное сообщение; ни об адресах узлов; установлении соединения и т.п. Эти пункты определяются протоколом более высокого уровня (Higher Layer Protocol, HLP). Термин HLP происходит из модели OSI и её семи уровней.

Протоколы более высокого уровня используются для:

• стандартизации процедуры запуска, включая выбор скорости передачи данных;

• распределения адресов среди взаимодействующих узлов или типов сообщений;

• определения разметки сообщений;
• обеспечения порядка обработки ошибок на уровне системы.

Пользовательские группы и т.п.

Одним из наиболее эффективных способов повышения вашей компетентности в области CAN является участие в работе, осуществляемой в рамках существующих пользовательских групп. Даже если вы не планируете активно участвовать в работе, пользовательские группы могут являться хорошим источником информации. Посещение конференций является ещё одним хорошим способом получения исчерпывающей и точной информации.

• Пользовательские группы и прочее из области CAN >>

Продукты CAN

На низком уровне принципиально различают два типа продуктов CAN, доступных на открытом рынке – микросхемы CAN и инструменты разработки CAN. На более высоком уровне – другие два типа продуктов: модули CAN и инструменты проектирования CAN. Широкий спектр данных продуктов доступен на открытом рынке в настоящее время.

• Ознакомьтесь с нашим перечнем продуктов CAN >>

Патенты в области CAN

Патенты, относящиеся к приложениям CAN, могут быть различных типов: реализация синхронизации и частот, передача больших наборов данных (в протоколе CAN используются кадры данных длиной всего лишь 8 байт) и т.п.

Системы распределённого управления

Протокол CAN является хорошей основой для разработки систем распределённого управления. Метод разрешения конфликтов, используемый CAN, обеспечивает то, что каждый узел CAN будет взаимодействовать с теми сообщениями, которые относятся к данному узлу.

Систему распределённого управления можно описать как систему, вычислительная мощность которой распределена между всеми узлами системы. Противоположный вариант – система с центральным процессором и локальными точками ввода–вывода.

Сообщения CAN

Шина CAN относится к широковещательным шинам. Это означает, что все узлы могут «слушать» все передачи. Не существует возможности послать сообщение конкретному узлу, все без исключения узлы будут принимать все сообщения. Оборудование CAN, однако, обеспечивает возможность локальной фильтрации, так что каждый модуль может реагировать только на интересующее его сообщение.

Адресация сообщений CAN

CAN использует относительно короткие сообщения – максимальная длина информационного поля составляет 94 бита. В сообщениях отсутствует явный адрес, их можно назвать контентно–адрессованными: содержимое сообщения имплицитно (неявным образом) определяет адресата.

Типы сообщений

Существует 4 типа сообщений (или кадров), передающихся по шине CAN:

• кадр данных (Data Frame);

• удаленный кадр (Remote Frame);

• кадр ошибки (Error Frame);

• кадр перегрузки (Overload Frame).

Кадр данных

Кратко: «Всем привет, есть данные с маркировкой X, надеюсь вам понравятся!»
Кадр данных – самый распространенный тип сообщения. Он содержит в себе следующие основные части (некоторые детали не рассматриваются для краткости):

• Поле арбитража (Arbitration Field), которое определяет очередность сообщения в том случае, когда за шину борятся два или более узла. Поле арбитража содержит:

• В случае CAN 2.0A, 11–битный идентификатор и один бит, бит RTR который является определяющим для кадров данных.

• В случае CAN 2.0B, 29–битный идентификатор (который также содержит два рецессивных бита: SRR и IDE) и бит RTR.

• Поле данных (Data Field), которое содержит от 0 до 8 байт данных.

• Поле CRC (CRC Field), содержащее 15–битную контрольную сумму, посчитанную для большинства частей сообщения. Эта контрольная сумма используется для обнаружения ошибок.

• Слот распознавания (Acknowledgement Slot). Каждый контроллер CAN, способный корректно получить сообщение, посылает бит распознавания (Acknowledgement bit) в конце каждого сообщения. Приемопередатчик проверяет наличие бита распознавания и, если таковой не обнаруживается, высылает сообщение повторно.

Примечание 1: Присутствие на шине бита распознавания не значит ничего, кроме того, что каждый запланированный адресат получил сообщение. Единственное, что становится известно, это факт корректного получения сообщения одним или несколькими узлами шины.

Примечание 2: Идентификатор в поле арбитража, несмотря на свое название, необязательно идентифицирует содержимое сообщения.

Кадр данных CAN 2.0B («cтандартный CAN»).

Кадр данных CAN 2.0B («расширенный CAN»).

Удаленный кадр

Кратко: «Всем привет, кто–нибудь может произвести данные с маркировкой X?»
Удаленный кадр очень похож на кадр данных, но с двумя важными отличиями:

• он явно помечен как удаленный кадр (бит RTR в поле арбитража является рецессивным), и

• отсутствует поле данных.

Основной задачей удаленного кадра является запрос на передачу надлежащего кадра данных. Если, скажем, узел A пересылает удаленный кадр с параметром поля арбитража равным 234, то узел B, если он должным образом инициализирован, должен выслать в ответ кадр данных с параметром поля арбитража также равным 234.

Удаленные кадры можно использовать для реализации управления трафиком шины типа «запрос–ответ». На практике, однако, удаленный кадр используется мало. Это не так важно, поскольку стандарт CAN не предписывает действовать именно так, как здесь обозначено. Большинство контроллеров CAN можно запрограммировать так, что они будут автоматически отвечать на удаленный кадр, или же вместо этого извещать локальный процессор.

Есть одна уловка, связанная с удаленным кадром: код длины данных (Data Length Code) должен быть установлен длине ожидаемого ответного сообщения. В противном случае разрешение конфликтов работать не будет.

Иногда требуется чтобы узел, отвечающий на удаленный кадр, начинал свою передачу как только распознавал идентификатор, таким образом «заполняя» пустой удаленный кадр. Это другой случай.

Кадр ошибки (Error Frame)

Кратко (все вместе, громко): «О, ДОРОГОЙ, ДАВАЙ ПОПРОБУЕМ ЕЩЁ РАЗОК»
Кадр ошибки (Error Frame) – это специальное сообщение, нарушающее правила формирования кадров сообщения CAN. Он посылается, когда узел обнаруживает сбой и помогает остальным узлам обнаружить сбой – и они тоже будут отправлять кадры ошибок. Передатчик автоматически попробует послать сообщение повторно. Наличествует продуманная схема счетчиков ошибок, гарантирующая, что узел не сможет нарушить передачу данных по шине путём повторяющейся отсылки кадров ошибки.

Кадр ошибки содержит флаг ошибки (Error Flag), который состоит из 6 бит одинакового значения (таким образом нарушая правило вставки битов) и разграничителя ошибки (Error Delimiter), состоящего из 8 рецессивных бит. Разраничитель ошибки предоставляет некоторое пространство, в котором другие узлы шины могут отправлять свои флаги ошибки после того, как сами обнаружат первый флаг ошибки.

Вот флаг ошибки:

Кадр перегрузки (Overload Frame)

Кратко: «Я очень занятой 82526 маленький, не могли бы вы подождать минуточку?»
Кадр перегрузки упоминается здесь лишь для полноты картины. По формату он очень похож на кадр ошибки и передается занятым узлом. Кадр перегрузки используется нечасто, т.к. современные контроллеры CAN достаточно производительны, чтобы его не использовать. Фактически, единственный контроллер, который будет генерировать кадры перегрузки – это ныне устаревший 82526.

Стандартный и расширенный CAN

Изначально стандарт CAN установил длину идентификатора в поле арбитража равной 11 битам. Позже, по требованию покупателей стандарт был расширен. Новый формат часто называют расширенным CAN (Extended CAN), он позволяет использовать не менее 29 бит в идентификаторе. Для различения двух типов кадров используется зарезервированный бит в поле управления Control Field.

Формально стандарты именуются следующим образом –

• 2.0A – только с 11–битными идентификаторами;
• 2.0B – расширенная версия с 29–битными или 11–битными идентификаторами (их можно смешивать). Узел 2.0B может быть

• 2.0B active (активным), т.е. способным передавать и получать расширенные кадры, или

• 2.0B passive (пассивным), т.е. он будет молча сбрасывать полученные расширенные кадры (но, смотрите ниже).

• 1.x – относится к оргинальной спецификации и её ревизиям.

В настоящее время новые контроллеры CAN обычно относятся к типу 2.0B. Контроллер типа 1.x или 2.0A прибудет в замешательство, получив сообщения с 29 битами арбитража. Контроллер 2.0B пассивного типа примет их, опознает, если они верны и, затем – сбросит; a контроллер 2.0B активного типа сможет и передавать, и получать такие сообщения.

Контроллеры 2.0B и 2.0A (равно, как и 1.x) совместимы. Можно использовать их все на одной шине до тех пор, пока контроллеры 2.0B будут воздерживаться от рассылки расширенных кадров.

Иногда люди заявляют, что стандартный CAN «лучше» расширенного CAN, потому что в сообщениях расширенного CAN больше служебных данных. Это необязательно так. Если вы используете поле арбитража для передачи данных, то кадр расширенного CAN может содержать меньше служебных данных, чем кадр стандартного CAN.

Основной CAN (Basic CAN) и полный CAN (Full CAN)

Термины Basic CAN и Full CAN берут начало в «детстве» CAN. Когда–то существовал CAN–контроллер Intel 82526, предоставлявший программисту интерфейс в стиле DPRAM. Потом появился Philips с моделью 82C200, в котором применялась FIFO–ориентированная модель программирования и ограниченные возможности фильтрации. Для обозначения различия между двумя моделями программирования, люди стали называть способ Intel – Full CAN, а способ Philips – Basic CAN. Сегодня большинство контроллеров CAN поддерживают обе модели программирования, поэтому нет смысла в использовании терминов Full CAN и Basic CAN – фактически, эти термины могут вызвать неразбериху и стоит воздержаться от их употребления.

В действительности, контроллер Full CAN может взаимодействовать с контроллером Basic CAN и наоборот. Проблемы с совместимостью отсутствуют.

Разрешение конфликтов на шине и приоритет сообщения

Разрешение конфликтов сообщений (процесс, в результате которого два или более контроллера CAN решают, кто будет пользоваться шиной) очень важно для определения реальной доступности полосы пропускания для передачи данных.

Любой контроллер CAN может начать передачу, когда обнаружит, что шина простаивает. Это может привести к тому, что два или более контроллеров начнут передачу сообщения (почти) одновременно. Конфликт решается следующим образом. Передающие узлы осуществляют мониторинг шины в процессе отправки сообщения. Если узел обнаруживает доминантный уровень в то время, как сам он отправляет рецессивный уровень, он незамедлительно устранится от процесса разрешения конфликта и станет приемником. Разрешение конфликтов осуществляется по всему полю арбитража, и после того, как это поле отсылается, на шине остается только один передатчик. Данный узел продолжит передачу, если ничего не случится. Остальные потенциальные передатчики попытаются передать свои сообщения позже, когда шина освободится. В процессе разрешения конфликта время не теряется.

Важным условием для благополучного разрешения конфликта является невозможность ситуации, при которой два узла могут передать одинаковое поле арбитража. Из этого правила есть одно исключение: если сообщение не содержит данных, то любой узел может передавать это сообщение.

Поскольку, CAN–шина является шиной с подсоединением устройств по типу «монтажное И» (wired–AND) и доминантный бит (Dominant bit) является логическим 0, следовательно сообщение с самым низким в численном выражении полем арбитража выиграет в разрешении конфликта.

Вопрос: Что произойдет в случае, если единственный узел шины попытается отослать сообщение?

Ответ: Узел, разумеется, выиграет в разрешении конфликта и успешно проведет передачу сообщения. Но когда наступит время распознавания… ни один узел не отправит доминантный бит области распознавания, поэтому передатчик определит ошибку распознавания, пошлет флаг ошибки, повысит значение своего счетчика ошибок передачи на 8 и начнет повторную передачу. Этот цикл повторится 16 раз, затем передатчик перейдет в статус пассивной ошибки. В соответствии со специальным правилом в алгоритме ограничения ошибок, значение счетчика ошибок передачи не будет более повышаться, если узел имеет статус пассивной ошибки и ошибка является ошибкой распознавания. Поэтому узел будет осуществлять передачу вечно, до тех пор, пока кто–нибудь не распознает сообщение.

Адресация и идентификация сообщения

Повторимся, нет ничего страшного в том, что в сообщениях CAN нет точных адресов. Каждый контроллер CAN будет получать весь траффик шины, и при помощи комбинации аппаратных фильтров и ПО, определять – «интересует» его это сообщение, или нет.

Фактически, в протоколе CAN отсутствует понятие адреса сообщения. Вместо этого содержимое сообщения определяется идентификатором, который находится где–то в сообщении. Сообщения CAN можно назвать «контентно–адрессовнными».

Определённый адрес работает так: «Это сообщение для узла X». Контентно–адресованное сообщение можно описать так: «Это сообщение содержит данные с маркировкой X». Разница между этими двумя концепциями мала, но существенна.

Содержимое поле арбитража используется, в соответствии со стандартом, для определения очередности сообщения на шине. Все контроллеры CAN будут также использовать всё (некоторые – только часть) поле арбитража в качестве ключа в процессе аппаратной фильтрации.

Стандарт не говорит, что поле арбитража непременно должно использоваться в качестве идентификатора сообщения. Тем не менее, это очень распространенный вариант использования.

Примечание о значениях идентификатора

Мы говорили, что идентификатору доступны 11 (CAN 2.0A) или 29 (CAN 2.0B) бит. Это не совсем верно. Для совместимости с определенным старым контроллером CAN (угадайте каким?), идентификаторы не должны иметь 7 старших бит установленных в логическую единицу, поэтому 11–битным идентификаторам доступны значения 0..2031, а пользователи 29–битных идентификаторов могут использовать 532676608 различных значений.

Заметьте, что все остальные контроллеры CAN принимают «неправильные» идентификаторы, поэтому в современных системах CAN идентификаторы 2032..2047 могут использоваться без ограничений.

Физические уровни CAN

Шина CAN

Шина CAN использует код без возвращения к нулю (NRZ) с вставкой битов. Существуют два разных состояния сигнала: доминантное (логический 0) и рецессивное (логическая 1). Они соответствуют определенным электрическим уровням, зависящим от используемого физического уровня (их несколько). Модули подключены к шине по схеме «монтажное И» (wired–AND): если хотя бы один узел переводит шину в доминантное состояние, то вся шина находится в этом состоянии, вне зависмости от того, сколько узлов передают рецессивное состояние.

Различные физические уровни

Физический уровень определяет электрические уровни и схему передачи сигналов по шине, полное сопротивление кабеля и т.п.

Существует несколько различных версий физических уровней: • Наиболее распространенным является вариант, определенный стандартом CAN, часть ISO 11898–2, и представляющий собой двухпроводную сбалансированную сигнальную схему. Он также иногда называется high–speed CAN.

• Другая часть того же стандарта ISO 11898–3 описывает другую двухпроводную сбалансированную сигнальную схему – для менее скоростной шины. Она устойчива к сбоям, поэтому передача сигналов может продолжаться даже в том случае, когда один из проводов будет перерезан, замкнут на «землю» или в состоянии Vbat. Иногда такая схема называется low–speed CAN.

• SAE J2411 описывает однопроводной (плюс «земля», разумеется) физический уровень. Он используется в основном в автомобилях – например GM–LAN.

• Существуют несколько проприетарных физических уровней.

• В былые времена, когда драйверов CAN не существовало, использовались модификации RS485.

• Несколько изображений с осциллографа поясняющие сообщения в деталях >>.

Различные физические уровни как правило не могут взаимодействовать между собой. Некоторые комбинации могут работать (или будет казаться, что они работают) в хороших условиях. Например, приемопередатчики high–speed и low–speed могут работать на одной шине лишь иногда.

Абсолютное большинство микросхем приемопередатчиков CAN произведено компанией Philips; в число других производителей входят Bosch, Infineon, Siliconix и Unitrode.

Наиболее распространен приемопередатчик 82C250, в котором реализован физический уровень, описываемый стандартом ISO 11898. Усовершенствованная версия – 82C251.

Распространенный приемопередатчик для «low–speed CAN» – Philips TJA1054.

Максимальная скорость передачи данных по шине

Максимальная скорость передачи данных по шине CAN, в соответствии со стандартом, равна 1 Мбит/с. Однако некоторые контроллеры CAN поддерживают скорости выше 1 Мбит/с и могут быть использованы в специализированных приложениях.

Low–speed CAN (ISO 11898–3, см. выше) работает на скоростях до 125 кбит/с.

Однопроводная шина CAN в стандартном режиме может передавать данные со скоростью порядка 50 кбит/с, а в специальном высокоскоростном режиме, например для программирования ЭБУ (ECU), около 100 кбит/с.

Минимальная скорость передачи данных по шине

Имейте в виду, что некоторые приемопередатчики не позволят вам выбрать скорость ниже определенного значения. Например, при использовании 82C250 или 82C251 вы можете без проблем установить скорость 10 кбит/с, но если вы используете TJA1050, то не сможете установить скорость ниже 50 кбит/с. Сверяйтесь со спецификацией.

Максимальная длина кабеля

При скорости передачи данных 1 Мбит/с, максимальная длина используемого кабеля может составлять порядка 40 метров. Это связано с требованием схемы разрешения конфликтов, согласно которому фронт волны сигнала должен иметь возможность дойти до самого дальнего узла и вернуться назад прежде чем бит будет считан. Иными словами, длина кабеля ограничена скоростью света. Предложения по увеличению скорости света рассматривались, но были отвергнуты в связи с межгалактическими проблемами.

Другие максимальные длины кабеля (значения приблизительные):

• 100 метров при 500 кбит/с;

• 200 метров при 250 кбит/с;

• 500 метров при 125 кбит/с;
• 6 километров при 10 кбит/с.

Если для обеспечения гальванической изоляции используются оптопары, максимальная длина шины соответственно сокращается. Совет: используйте быстрые оптопары, и смотрите на задержку сигнала в устройстве, а не на максимальную скорость передачи данных в спецификации.

Оконечное прерывание шины

Шина CAN стандарта ISO 11898 должна заканчиваться терминатором. Это достигается путем установки резистора сопротивлением 120 Ом на каждом конце шины. Терминирование служит двум целям:

1. Убрать отражения сигнала на конце шины.

2. Убедиться, что получает корректные уровни постоянного тока (DC).

Шина CAN стандарта ISO 11898 обязательно должна терминироваться вне зависимости от её скорости. Я повторю: шина CAN стандарта ISO 11898 обязательно должна терминироваться вне зависимости от её скорости. Для лабораторной работы может хватить и одного терминатора. Если ваша шина CAN работает даже при отсутствии терминаторов – вы просто счастливчик.

Заметьте, что другие физические уровни, такие как low–speed CAN, однопроводная шина CAN и другие, могут требовать, а могут и не требовать наличия оконечного терминатора шины. Но ваша высокоскоростная шина CAN стандарта ISO 11898 всегда будет требовать наличия хотя бы одного терминатора.

Кабель

Стандарт ISO 11898 предписывает, что волновое сопротивление кабеля номинально должно равнятся 120 Ом, однако допускается интервал значений сопротивления [108..132] Ом.

Немногие, из присутствующих сегодня на рынке, кабели удовлетворяют этим требованиям. Есть большая вероятность, что интервал значений сопротивления будет расширен в будущем.

ISO 11898 описывает витую пару, экранированную или неэкранированную. Идёт работа над стандартом однопроводного кабеля SAE J2411.

Продолжение статьи читать во II части .

Из этой статьи вы узнаете, что такое CAN-шина, почему она появилась. Разберемся с блоками управления в автомобиле и с тем, как они общаются между собой. Расскажем, какие контроллеры соединяются быстрой CAN-шиной, а какие — медленной.

Узнаете, как устроена CAN-шина на физическом и цифровом уровне, из каких данных состоит сообщение, как происходит арбитраж трафика. Какая максимальная длина кабеля и скорость передачи информации, как реализована защита от помех.

Если интересует какой-то конкретный вопрос, пользуйтесь оглавлением.

Что такое CAN-шина?

Автомобиль подобен человеческому организму. Сеть контроллеров (шина CAN) это как нервная система у человека.

В свою очередь, «узлы» или «электронные блоки управления» (ЭБУ) подобны частям тела. Они соединены между собой через CAN-шину.

Шина CAN представляет собой витую пару проводов. С ее помощью все блоки управления в автомобиле соединены в единую информационную сеть.

Причины появления CAN-шины

Когда вы нажимаете выключатель в своем доме, чтобы включить свет, электричество проходит через выключатель к лампам.

Автомобили раньше использовали такое же подключение. С тех пор как в 1915 году Генри Форду пришла идея добавить в свои автомобили фары и электрический сигнал, электричество поступало от аккумулятора через выключатели к фарам и другим устройствам.

К 1960-м годам в каждом автомобиле были тысячи тяжелых проводов.

После нефтяного эмбарго 1970-х годов на автопроизводителей оказывалось все большее давление с целью повышения эффективности использования топлива. Поэтому они начали искать способы уменьшить вес выпускаемых автомобилей.

К началу 1980-х годов в автомобилях было все больше и больше электронных блоков управления. Сначала электронное управление получили самые важные системы, такие как системы управления двигателем, трансмиссией и тормозной системой. Но со временем электронное управление распространилось и на второстепенные либо периферийные системы, такие как климат-контроль, блоки комфорта и прочие.

В скором времени такое положение дел привело к тому, что производители столкнулись тремя проблемами:

Такие компании, как Bosch, искали тип шинной коммуникационной системы, которая могла бы использоваться в качестве системы связи между несколькими ЭБУ и системами автомобиля.

Они искали на рынке, но не могли найти именно то, что было нужно, поэтому они начали разработку «Controller Area Network» в партнерстве с Mercedes-Benz, Intel, а также несколькими университетами Германии.

Краткая история шины CAN

В 1986 году компания Bosch представила стандарт CAN на конгрессе SAE в Детройте. Год спустя корпорация Intel начала поставки первых микросхем контроллеров CAN, и автомобильный мир изменился навсегда.

• До CAN: автомобильные ЭБУ использовали сложную проводку «точка-точка».
• 1986: Компания Bosch разработала протокол CAN.
• 1991: Bosch опубликовала CAN 2.0 (CAN 2.0A: 11 бит, 2.0B: 29 бит).
• 1993: CAN принят в качестве международного стандарта (ISO 11898).
• 2003: ISO 11898 становится серией стандартов.
• 2012: Bosch выпустила CAN FD 1.0 (передачи данных на двух скоростях).
• 2015: Протокол CAN FD стандартизирован (ISO 11898-1).
• 2016: Физический уровень CAN для скоростей передачи данных до 5 Мбит/с стандартизирован в ISO 11898-2.

Теперь, например, достаточно одного датчика температуры, который подключен к блоку управления двигателем. ЭБУ опрашивает датчик температуры для себя и отправляет эту информацию в виде сообщения в информационную шину данных для других блоков.

При таком подходе уменьшается количество проводов, нет дублирования датчиков. Появляется возможность ввода/вывода информации из электронных блоков управления, что позволяет диагностировать сложные системы с множеством электронных блоков управления.

Сегодня CAN является стандартом в автомобилях (легковых, грузовых, автобусах, тракторах, …), кораблях, самолетах, электромобилях и многом другом.

Что такое ЭБУ?

В автомобиле ЭБУ могут быть, например, блок управления двигателем, подушками безопасности, аудиосистемой и т. д.

В современном автомобиле может быть до 70 ЭБУ — и каждый из них может иметь информацию, которой необходимо поделиться с другими участниками сети.

Именно здесь на помощь приходит CAN-шина. Она позволяет каждому блоку управления общаться со всеми другими ЭБУ без сложной специальной проводки.

В частности, блок управления может передавать данные с датчиков по шине CAN. Переданные данные принимаются всеми другими контроллерами в сети CAN, после чего каждый ЭБУ может проверить данные и решить, принимать их или игнорировать.

Физический уровень шины CAN

Физический уровень CAN описан в стандарте ISO 11898 и регламентирует способ передачи данных. В случае с CAN-шиной это два провода витой пары. При этом CAN-шина вполне может работать и по одному проводу, а витая пара прежде всего используется для защиты от помех.

Однопроводная схема

Для того чтобы лучше понять как данные передаются по двухпроводной CAN-шине, давайте сначала рассмотрим как данные передаются по однопроводной схеме, которой, например, является K-линия.

Итак, есть один провод, с его помощью соединены блоки управления. Этот провод внутри блока соединен с 12 вольтами через резистор 5 килоом. Таким образом напряжение на проводе становится по умолчанию 12 В.

Каждый из подключенных блоков может стягивать это напряжение на массу, меняя его с 12 на 0 вольт. Таким образом, получаются прямоугольные импульсы на шине данных. Они могут принимать всего два уровня напряжения — 0 и 12 вольт.

Присвоим низкому уровню в ноль вольт логический ноль, а уровню 12 вольт — логическую единицу. Зададим тактовый сигнал шины, то есть обозначим сколько раз секунду блоки будут опрашивать шину и соответственно сколько времени будет длиться один бит.

То есть наименьшая часть цифровой информации вид может принимать только два значения 0 или 1. Таким образом, мы получили физическую возможность отправлять и принимать двоичные данные между блоками управления.

Витая пара. Как работает CAN high-speed

В CAN-шине тот же принцип, только сигнал считывается как разница между напряжениями проводов CAN-high и CAN-low, которые образуют витую пару.

Чтобы понять, как именно это происходит, давайте рассмотрим как могут меняться уровни напряжения на этих проводах.

По умолчанию на проводе CAN-high, как и на проводе CAN-low, напряжение соответствует величине в 2,5 В. При этом разница напряжений между проводами составляет 0 В. Такое состояние can-шины называется рецессивным (recessive) и интерпретируется как логическая единица.

Существует и второе состояние шины, при котором напряжение на проводе CAN-high будет 3,5 вольт, а на проводе CAN-low — 1,5 В. Разница напряжений между проводами составит 2 вольта. Это состояние называется доминантным (dominant) и соответствует логическому нулю.

Логическая 1 (рецессивное состояние):

• 2,5 вольта на проводе CAN_H;
• 2,5 вольта на проводе CAN_L;
• дифференциальное напряжение 0 вольт.

Логический 0 (доминантное состояние):

• 3,5 вольта на проводе CAN_H;
• 1,5 вольта на проводе CAN_L;
• дифференциальное напряжение 2 вольта.

Так работает высокоскоростная шина CAN high speed. Она описана в стандарте ISO 11898-2.

Работа CAN low speed

Устройство низкоскоростной шины CAN low speed описано в стандарте ISO 11898-3. Для нее уровни напряжения такие.

Логическая 1 (рецессивное состояние):

• 0 вольт на проводе CAN_H;
• 5 вольт на проводе CAN_L;
• дифференциальное напряжение 5 вольт.

Логический 0 (доминантное состояние):

• 3,6 вольта на проводе CAN_H;
• 1,4 вольта на проводе CAN_L;
• дифференциальное напряжение 2,2 вольта.

Защита от помех

Ведь и на одном проводе все работало, так зачем усложнять?

CAN-шиной объединены самые ответственные блоки управления автомобиля. От качества этой связи напрямую зависит безопасность движения. В связи с этим CAN-шине предъявляются высокие требования к надежности и безотказности.

Дело в том, что многие компоненты автомобиля являются источниками электромагнитных помех. Особенно система зажигания.

Использование витой пары позволяет в значительной степени решить эту проблему. Давайте посмотрим, как это происходит.

Представьте себе, что витая пара CAN-шины попадает в зону действия электромагнитной помехи. В медном проводе индуцируется напряжение, которое плюсуется или отнимается от напряжения, уже существующего на этом проводе.

Предположим, что на проводе CAN-high в рецессивном состоянии напряжение было 2,5 В. Помеха увеличила его на 1,1 В. Соответственно мы получили напряжение в 3,6 В, которое могло быть интерпретировано уже как доминантное состояние.

Но CAN-шина устойчива к таким помехам, потому что сигналом является не просто изменение уровня напряжения на одном из проводов, а именно изменение разницы между напряжениями на этих проводах. А разница как раз не изменилась из-за применения витой пары.

Таким образом, на проводе CAN_L напряжение поднимется на те же 1,1 В. А разница напряжений как была 2,5 — 2,5 = 0 В, так и осталась 3,6 — 3,6 = 0 В. Действие помехи на шину в доминантном состоянии аналогично.

Зачем нужен трансивер

Название Transceiver произошло от двух слов receiver (приемник) и transmitter (передатчик). Переводится как приемопередатчик.

Трансиверы обрабатывают дифференциальный сигнал, принимают и передают информацию. Трансивер связывает провода витой пары (CAN_H и CAN_L) с линиями Tx и Rx микропроцессора, который не умеет напрямую работать с CAN-шиной.

По линии Tx микропроцессор отправляет информацию в шину данных, а по линии Rx он считывает информацию.

В трансивере находится схемотехника, которая формирует разные уровни напряжения на проводах CAN_H и CAN_L для доминантного и рецессивного состояния шины.

Трансивер обычно устанавливается внутри электронного блока управления и представляет собой специализированную микросхему.

Оконечные сопротивления

Это еще одна часть физического уровня CAN-шины. Оконечные сопротивления используются для борьбы с отраженным сигналом так называемым эхом.

Отраженный сигнал препятствует нормальной передаче данных. Причем, чем больше будет длина проводов шины и чем выше будет скорость передачи данных, тем значительней будет проявляться этот негативный эффект.

Правильно подобранные конечные нагрузочные сопротивления компенсируют отраженный сигнал. Обычно это два резистора по 120 ом внутри блока управления. Они подключены к противоположным концам шины. Таким образом, сопротивление между проводами can-шины составляет около 60 ом.

У разных автопроизводителей величина оконечных сопротивлений может отличаться.

Где применяется CAN high speed, а где CAN low speed

HS-CAN и LS-CAN отличаются скоростью передачи данных и уровнями рабочих напряжений. Быстрый CAN применяется для связи блоков управления двигателя, автоматической коробки передач, тормозов, рулевого управления, подушек безопасности, полного привода, пневмоподвески и других важных систем, от которых напрямую зависит безопасность движения.

Медленный CAN используется для менее важных систем, таких как климат-контроль, системы комфорта, наружное освещение, электропривод сидений и т. п. в зависимости от комплектации автомобиля.

Особенностью медленного CAN является возможность сохранять работоспособность в однопроводном режиме, если второй провод витой пары поврежден.

Высокоскоростной и низкоскоростной CAN автопроизводители могут называть по-своему, а также пользоваться любой из доступных скоростей передачи данных.

Межсетевой шлюз (CAN gateway)

Часто есть необходимость передавать информацию от блока управления, подключенного к быстрой CAN-шине, к блоку, подключенному к медленной CAN-шине, и наоборот. Например, блоку управления климатом нужно знать температуру двигателя.

Так как напрямую разные CAN-шины не соединить, для этих целей используется межсетевой шлюз (CAN gateway). К нему подключаются шины с разными скоростями. Это могут быть не только CAN-шины, но и другие шины, присутствующие в автомобиле, к примеру, FlexRay или Ethernet.

Часто в CAN gateway хранится информация об автомобиле, VIN номер и комплектация. Именно из него сканеры получают информацию при автоопределении автомобиля.

Сам межсетевой интерфейс может быть выполнен как отдельным блоком, так и встроен в другие блоки. Обычно это приборная панель, электронный замок зажигания или блок управления бортовой сети (Body Control Module — BCM).

Мы разобрались физическим уровнем CAN-шины. Теперь вы знаете, как напряжение на витой паре становится единицами и нолями, как биты передаются от одного блока управления к другому.

Канальный уровень CAN-шины (передача данных)

CAN является широковещательной шиной последовательной передачи данных. То есть данные отправляются по очереди бит за битом и при этом между узлами сети реализован один общий эфир, когда каждый слышит каждого.

Блоки управления, как и диагностический сканер, выступают узлами в сети CAN-шины. Но для того, чтобы все это заработало мало просто подавать в шину единицы и ноли. Нужно определить, какой узел будет говорить, какой слушать, каков будет формат сообщения, кому это сообщение адресовано и как будет подтверждаться правильность приема.

Эту задачу решает канальный уровень (data link layer), описанный в стандарте ISO 11898-1. Каждый узел может отправлять и принимать информацию кадр за кадром.

Существует четыре типа сообщений-кадров:

• Кадр данных (data frame). Передает информацию одному или нескольким узлам-приемникам.
• Кадр удаленного запроса (remote frame). Запрашивает данные у других узлов.
• Кадр ошибки (error frame). Сообщает об ошибках.
• Кадр перегрузки (overload frame). Сообщает о состоянии перегрузки.

Из чего состоит кадр CAN-шины

Рассмотрим структуру самого распространенного кадра Data frame.

SOF. Начало кадра

Первый бит кадра (SOF — Start Of Frame) всегда доминантный логический ноль. Он выводит шину из состояния холостого хода и начинает передачу данных.

Арбитражное поле

Дальше следует арбитражное поле. Оно используется для того, чтобы определить, какой из узлов получит доступ к вещанию по шине. Ведь передача данных последовательная, бит за битом, кадр за кадром. Соответственно узлам приходится ждать своей очереди для отправки сообщения в шину, но при этом слушают шину они постоянно.

Зачем нужен арбитраж CAN-шины

Арбитраж сообщений это процесс, в котором два или более CAN-контроллеров договариваются о том, кто должен использовать шину.

Любой узел может начать передачу данных, когда обнаружит незанятую шину. Это может привести к тому, что два или более контроллеров начнут передачу сообщения почти одновременно.

Нет такого блока, который будет вещать всегда первым. Первым всегда будет передавать информацию тот блок, чьё сообщение имеет наивысший приоритет. И как раз этот спор и решается в арбитражном поле. Разберемся как именно.

Как происходит арбитраж CAN-шины и что такое идентификатор

Представим, что есть три узла, которые одновременно хотят получить доступ к CAN-шине. После бита «Start Of Frame» каждый из этих блоков начинает отправлять биты идентификаторов в шину данных.

Идентификатор присвоен каждому сообщению и определяет его приоритет, то есть определяет, какое сообщение более важное и должно быть отправлено в первую очередь.

Все узлы одновременно, бит за битом, начинают отправлять идентификаторы кадров в шину данных. В это же время все узлы также и считывают каждый новый появившийся бит на шине.

Пока отправляемые биты у всех блоков совпадают, все идет без изменений. Но рано или поздно случается конфликт, когда разные узлы одновременно отправят разные биты. И вот тут самое время вспомнить, что доминантный бит (логический 0) перебивает рецессивный бит (логическую 1) в конфликтных ситуациях. Это реализовано аппаратно в схемотехнике трансивера.

Это условие приводит к тому, что узел, у которого рецессивный бит (логическая единица) проигрывает арбитраж тому узлу, у которого оказался доминантный бит (логический ноль).

Проиграв арбитраж, блок утрачивает доступ к шине и ждет в режиме «только чтение» следующего арбитража. При этом остальные блоки продолжают арбитраж. Но при каждом очередном конфликте один из них отсеивается. И так до тех пор, пока не останется всего один блок, чье сообщение оказалось самым приоритетным и выиграло арбитраж.

Выигравшему блоку принадлежит право отправить сообщение в шину, а потому именно он будет продолжать начатый кадр.

Важным условием успешного битового арбитража является то, что никакие два узла не могут передавать одно и то же поле арбитража. Из этого правила есть одно исключение: если сообщение не содержит данных, то любой узел может передать это сообщение.

Поскольку шина является проводной, а доминирующий бит логически равен 0, следует, что в арбитраже победит сообщение с численно наименьшим Арбитражным полем.

11-bit и 29-bit идентификаторы

11 бит дают возможность использовать только 2048 идентификаторов, то есть 2048 параметров Этого иногда бывает недостаточно. В этом случае используется 29-битый ID. Таким образом, появляется возможность использовать миллионы идентификаторов.

Кадр с расширенным 29-битным идентификатором (CAN 2.0B) идентичен кадру с 11-битным идентификатором (CAN 2.0A), за исключением более длинного идентификатора. Он используется, например, в протоколе J1939 для большегрузных автомобилей.

Что произойдет, если узел будет один на шине и попытается передать сообщение?

Блок, конечно, выиграет арбитраж и с радостью продолжит передачу сообщения. Но когда придет время подтверждения… ни один узел не пошлет доминирующий бит подтверждения ACK (о нем ниже).

Передатчик почувствует ошибку ACK, пошлет флаг ошибки, увеличит свой счетчик ошибок передачи на 8 и начнет повторную передачу. Это произойдет 16 раз. Затем передатчик перейдет в режим пассивной передачи ошибок.

По специальному правилу алгоритма ограничения ошибок, счетчик ошибок передачи не увеличивается, если узел пассивен и ошибка является ошибкой ACK. Таким образом, узел будет продолжать передачу вечно, по крайней мере, до тех пор, пока кто-то не подтвердит сообщение.

RTR. Запрос на удаленную передачу.

Следующий бит Remote Transmission Request (RTR). Это бит запроса. Он определяет какого типа будет сообщение:

• Dataframe, когда вещающий блок сообщает информацию или
• Remote frame, когда передающий блок запрашивает информацию.

Поле Control

Дальше следует поле Control, в котором первый бит ID extension. Если в нем будет логический ноль, то будет использоваться стандартный 11-битный идентификатор, а если логическая единица, то расширенный 29-битный.

Каждый идентификатор это какой-то параметр. Например, обороты двигателя, температура, состояние замка зажигания, угол поворота руля, скорость автомобиля, запрос на включение кондиционера и так далее.

Биты DL3 — DL0 в поле Control используется для определения заранее количества байтов, которые будут передаваться в следующем поле Data. Чтобы не передавать лишние биты и сократить время фрейма, тем самым увеличив скорость передачи данных. По этой же причине по-умолчанию используется 11-битный идентификатор, чтобы без надобности не тратить время на лишние 18 бит.

Поле Data

В поле Data находится самая полезная информация, которую нужно передать. Обороты, скорость, нагрузка и т. п.

Ради передачи этой информации и строится весь фрейм. Это поле может составлять от 1 до 8 байт, то есть от 8 до 64 бит.

CRC. Контрольная сумма

Следующее поле это контрольная сумма CRC (Cyclic Redundancy Check). Представляет собой значение, вычисленное по определенной формуле, на основе битов из предыдущих полей.

То есть все эти биты обрабатываются определенным алгоритмам в блоке-отправителе. Результат этой отработки записывается в поле контрольной суммы кадра.

После этого уже блок-получатель повторно вычисляет контрольную сумму CRC таким же алгоритмом, но уже на базе полученной информации.

Если каждый из битов был распознан правильно, то контрольная сумма у блока-получателя будет такой же, как и у блока-отправителя. В этом случае данные считаются переданными без ошибок.

Если же контрольная сумма не сходится, распознается ошибка передачи данных и полученная информация игнорируется.

ACK. Бит подтверждения

Следующим идет бит подтверждения ACK (Acknowledge). Узел-отправитель выставляет в нем рецессивное состояние, но узел-получатель перебивает его доминантным в случае успешного приема, тем самым подтверждая передачу сообщения.

Отправитель проверяет наличие бита подтверждения и повторно передает сообщение, если подтверждение не было обнаружено.

Наличие бита подтверждения на шине не означает, что любой из предполагаемых адресатов получил сообщение. Единственное, что мы знаем, это то, что один или несколько узлов на шине приняли его правильно.

EOF. Конец кадра

Дальше идут 7 бит поля End of Frame (EOF). Это конец кадра, после которого кадр завершается и шина снова переходит состояние холостого хода.

И так до тех пор, пока один или несколько блоков снова не начнут отправлять сообщения.

Адресация и идентификация сообщений CAN-шины

Стоит еще раз отметить, что в CAN-сообщениях нет явного адреса. Каждый узел принимает весь трафик на шине. Используя аппаратные фильтры и программное обеспечение, он определяет, является ли сообщение «интересным» или нет.

Фактически, в CAN не существует понятия адреса сообщения. Вместо этого, содержимое сообщений идентифицируется по ID, который присутствует в кадре. Считается, что сообщения CAN имеют «адрес содержимого».

Обычный адрес сообщения будет выглядеть так: «Вот сообщение для узла N». Сообщение с адресом содержимого выглядит так: «Вот сообщение, содержащее данные с меткой N». Разница между этими двумя понятиями небольшая, но существенная.

Содержимое поля арбитража, согласно стандарту, используется для определения приоритета сообщения на шине. Все контроллеры CAN также используют все поле арбитража (некоторые используют только часть) в качестве ключа в процессе аппаратной фильтрации.

Стандарт не говорит, что поле арбитража должно использоваться в качестве идентификатора сообщения. Тем не менее это очень распространенное использование.

Что такое CAN FD (Flexible Data Rate CAN)?

С расширением функциональности автомобиля возрастает и нагрузка на CAN-шину. CAN FD (Flexible Data Rate) была разработана как шина CAN «следующего поколения».

Стандартная длина каждого сообщения была увеличена в 8 раз — с 8 до 64 байт, а максимальная скорость передачи данных была аналогично увеличена с 1 Мбит/с до 8 Мбит/с. Одним словом, CAN FD повышает скорость и эффективность. Поэтому она используется в современных автомобилях.

CAN FD обратно совместим и поддерживает протокол CAN 2.0, а также специальные протоколы, такие как SAE J1939.

CAN FD по сути является расширением оригинального стандарта CAN, как указано в ISO 11898-1, и полностью совместим с классическими CAN-шинами.

Отличия CAN FD от обычной CAN-шины

• CAN FD работает одновременно на двух скоростях. Поле арбитража или заголовок кадра передается со стандартной скоростью, например 500 кбит/с. А поле данных передается на скорости в несколько раз выше, вплоть до 8 Мбит/с.
• Размер сообщения увеличен до 64 байт. В обычной CAN-шине — максимум 8 байт.
• Контроллер CAN FD способен принимать обычные CAN сообщения, а стандартный CAN узел не может принимать кадры формата CAN FD.
• Для шины CAN FD нужны специальные микросхемы-трансиверы с повышенным быстродействием.

В настоящее время CAN FD используется в высокопроизводительных автомобилях, но по мере развития ЭБУ и снижения стоимости аппаратного обеспечения CAN FD, это лишь вопрос времени, когда CAN FD появится практически во всех автомобилях.

Будущее шины CAN

В будущем протокол шины CAN будет оставаться актуальным, хотя на него будут влиять основные тенденции:

• Потребность во все более расширяющихся функциях автомобиля.
• Рост облачных вычислений.
• Развитие Интернета вещей (Internet of Things — IoT).
• Развитие самоуправляемых автомобилей (без водителя).

В частности, рост числа подключенных автомобилей V2X и облачных вычислений приведет к быстрому росту автомобильной телематики и IoT CAN-регистраторов.

В свою очередь, перевод сети шины CAN в режим «онлайн» также подвергает автомобили рискам безопасности и может потребовать перехода на новые протоколы CAN, такие, как CAN FD.

Максимальная скорость CAN-шины

Максимальная скорость шины CAN, согласно стандарту, составляет 1 Мбит/с. Тем не менее некоторые CAN-контроллеры могут работать и с более высокими скоростями.

Медленный CAN low speed (ISO 11898-3) может работать на скорости до 125 кбит/с.

Однопроводной CAN может работать со скоростью около 50 кбит/с в стандартном режиме, а в специальном высокоскоростном режиме, используемом, например, для программирования ЭБУ, — до 100 кбит/с.

Максимальная длина кабеля в CAN-шине

При скорости 1 Мбит/с максимальная длина кабеля может составлять около 40 метров. Это связано с тем, что схема арбитража требует, чтобы волновой фронт сигнала успел распространиться до самого удаленного узла и обратно. Другими словами, длина кабеля ограничена скоростью света.

Другие максимальные длины кабелей (значения приблизительны):

• 100 метров при скорости 500 кбит/с;
• 200 метров — при 250 кбит/с;
• 500 метров — при 125 кбит/с;
• 6 километров — при 10 кбит/с.

Если для обеспечения гальванической развязки используются оптопары, максимальная длина шины соответственно уменьшается.