嵌入式软件工程师-硬件接口与通信协议-CAN总线_CAN总线仲裁与冲突解决.docx

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CAN总线基础介绍

CAN(ControllerAreaNetwork)总线是一种用于实时应用的串行通信协议，特别适用于汽车和其他工业自动化环境中的数据通信。它由Bosch公司在1983年开发，旨在提供一种高效、可靠且成本效益高的通信方式，以满足现代车辆中电子控制单元(ECU)之间的数据交换需求。

1CAN总线的物理层

CAN总线的物理层主要由两条差分信号线组成，通常称为CAN_High和CAN_Low。这两条线上的电压差决定了总线上的逻辑状态。在空闲状态下，两条线上的电压差为0V，表示逻辑“1”。当有节点发送数据时，它会将CAN_High线的电压提高，同时将CAN_Low线的电压降低，形成一个电压差，表示逻辑“0”。

2CAN总线的数据帧结构

CAN总线的数据帧由多个字段组成，包括帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。其中，仲裁场包含了标识符，用于确定哪个节点的数据将被优先发送。

2.1仲裁场

仲裁场中的标识符是一个11位或29位的二进制数，用于识别数据帧的优先级。标识符的数值越小，优先级越高。当多个节点同时尝试发送数据时，它们会通过比较标识符来决定哪个节点的数据将被优先发送。

2.2控制场

控制场包含了数据长度代码(DLC)，用于指示数据场中包含的字节数。DLC的值范围从0到8，表示数据场中包含的字节数从0到8。

2.3数据场

数据场包含了最多8个字节的数据。这些数据可以是传感器读数、控制信号或其他任何需要在节点之间交换的信息。

2.4CRC场

CRC场包含了循环冗余校验码，用于检测数据传输过程中的错误。接收节点会计算接收到的数据的CRC，并将其与数据帧中的CRC进行比较。如果两者不匹配，接收节点会认为数据帧中存在错误，并将其丢弃。

2.5应答场

应答场由一个位组成，用于确认数据帧的接收。如果接收节点成功接收到数据帧，它会发送一个显性位(逻辑“0”)作为应答。如果接收节点没有接收到数据帧，它会发送一个隐性位(逻辑“1”)。

2.6帧结束

帧结束由7个位组成，全部为隐性位(逻辑“1”)。这表示数据帧的结束。

3CAN总线通信原理

CAN总线采用多主模式，这意味着网络中的任何节点都可以在任何时间尝试发送数据。然而，为了避免冲突，CAN总线使用了一种称为“仲裁”的机制。当多个节点同时尝试发送数据时，它们会通过比较标识符来决定哪个节点的数据将被优先发送。标识符的数值越小，优先级越高。

3.1仲裁过程

仲裁过程发生在数据帧的仲裁场中。当多个节点同时尝试发送数据时，它们会将数据帧的起始位发送到总线上。然后，它们会开始发送标识符。如果两个节点的标识符在某一位上不同，那么标识符中包含显性位(逻辑“0”)的节点将赢得仲裁，而包含隐性位(逻辑“1”)的节点将停止发送，并等待下一次发送机会。

3.2冲突解决

如果两个节点的标识符完全相同，那么它们会继续发送控制场和数据场。如果在数据场中发生了冲突，那么冲突节点会发送一个错误帧，以通知网络中的其他节点数据帧中存在错误。然后，冲突节点会等待一段时间，再尝试重新发送数据。

3.3位填充

为了确保数据帧的同步，CAN总线使用了一种称为“位填充”的机制。如果在数据帧中连续出现了6个相同位，那么会插入一个相反的位，以确保接收节点能够正确地同步数据帧。例如，如果数据帧中连续出现了6个逻辑“1”，那么会插入一个逻辑“0”。

1CAN总线通信原理示例

假设我们有两个节点，节点A和节点B，它们都尝试在总线上发送数据。节点A的数据帧的标识符为0x123，而节点B的数据帧的标识符为0x124。由于节点A的标识符小于节点B的标识符，因此节点A将赢得仲裁，并优先发送数据。

#Python示例代码

classCANNode:

def__init__(self,identifier):

self.identifier=identifier

defsend_data(self,data):

#发送数据前，先发送标识符

send_identifier(self.identifier)

#发送数据

send_data(data)

#创建两个节点

node_a=CANNode(0x123)

node_b=CANNode(0x124)

#尝试同时发送数据

node_a.send_data([0x11,0x22,0x33,0x44])

node_b.send_data([0x55,0x66,0x77,0x88])

在这个示例中，我们创建了两个节点，节点A和节点B。它们都尝试在总线上发送数据。然而，由于节