CAN历史
博世最初在1985年开发了用于车载网络的控制器区域网络（CAN）。过去，汽车制造商使用点对点布线系统连接车辆中的电子设备。制造商开始在车辆中使用越来越多的电子设备，这导致了笨重而昂贵的线束。于是，他们用车内网络取代了专用布线，从而降低了布线成本、复杂性和重量。CAN，一种用于智能设备联网的高完整性串行总线系统，成为标准的车载网络。汽车行业很快采用了CAN，并在1993年成为国际标准，即ISO 11898。自1994年起，CAN上又有几个更高级别的协议被标准化，如CANopen和DeviceNet。其他市场也广泛采用了这些附加协议，这些协议现已成为工业通信的标准。本白皮书重点介绍作为车载网络的CAN。
CAN的好处
低成本、轻量级网络
CAN提供了一个廉价、耐用的网络，帮助多个CAN设备相互通信。这样做的一个好处是，电子控制单元(ECU)可以有一个单一的CAN接口，而不是向系统中的每个设备提供模拟和数字输入。这降低了汽车的整体成本和重量。
广播通信
网络上的每个设备都有一个CAN控制器芯片，因此是智能化的。网络上的所有设备都能看到所有传输的信息。每个设备都可以决定一个信息是否相关，或者是否应该过滤。这种结构允许以最小的影响对CAN网络进行修改。可以在不修改网络的情况下添加额外的非传输节点。
优先级
每个消息都有一个优先级，所以如果两个节点试图同时发送消息，优先级较高的那个节点会被传送，优先级较低的那个节点会被推迟。这种仲裁是非破坏性的，结果是最高优先级的消息不被中断传输。这也使得网络可以满足确定性的时序约束。
错误能力
CAN规范包括一个循环冗余码（CRC），对每个帧的内容进行错误检查。有错误的帧会被所有节点忽略，可以传输一个错误帧来向网络发出错误信号。全局错误和局部错误由控制器区分，如果检测到的错误太多，单个节点可以停止传输错误或将自身从网络中完全断开。
图1. CAN网络大大减少了布线
CAN应用
CAN最初是为汽车用途而创建的，所以它最常见的应用是车载电子网络。然而，在过去的20年里，随着其他行业意识到CAN的可靠性和优势，他们已经在各种应用中采用了这种总线。铁路应用如街车、电车、地下铁道、轻轨、长途列车等都采用了CAN。你可以在这些车辆内的多个网络的不同层面上找到CAN，例如，在连接车门单元或制动控制器、乘客计数单元等方面。CAN在飞机上也有应用，包括飞行状态传感器、导航系统和驾驶舱内的研究电脑。此外，你可以在许多航空航天应用中发现CAN总线，从飞行中的数据分析到飞机发动机控制系统，如燃料系统、泵和线性执行器。医疗设备制造商在医疗设备中使用CAN作为嵌入式网络。事实上，一些医院使用CAN来管理整个手术室。医院用基于CAN的系统控制手术室的部件，如灯光、桌子、摄像机、X射线机和病床。电梯和自动扶梯使用嵌入式CAN网络，医院使用CANopen协议将电梯设备（如面板、控制器、门和光障）相互连接并控制它们。CANopen还用于非工业应用，如实验室设备、运动相机、望远镜、自动门，甚至咖啡机。
CAN物理层
CAN有几个不同的物理层可以使用。这些物理层对CAN网络的某些方面进行了分类，如电等级、信令方案、电缆阻抗、最大波特率等。最常见和广泛使用的物理层描述如下。
高速/FD CAN
高速CAN是目前最常见的物理层。高速CAN网络用两根线实现，允许以高达1 Mbit/s的传输速率进行通信。高速CAN的其他名称包括CAN C和ISO 11898-2。典型的高速CAN设备包括防抱死制动系统、发动机控制模块和排放系统。具有灵活数据速率的CAN（CAN FD）是下一代高速CAN通信，其标准正在不断发展，以实现更高的数据速率。NI已经通过NI-XNET驱动程序，使用TJA1041和TJA1043收发器实现了高达8 Mbit/s的速度。随着收发器供应商完成对CAN FD速度的认证，NI将根据需要更新我们的文档。
低速/容错CAN硬件
低速/容错CAN网络也是用两根线来实现的，可以以高达125kbit/s的速率与设备通信，并提供具有容错能力的收发器。低速/容错CAN的其他名称包括CAN B和ISO 11898-3。汽车中典型的低速/容错设备包括舒适设备。鉴于开关车门时固有的应力，必须通过车门的电线是低速/容错的。此外，在需要更高的安全性的情况下，如刹车灯，低速/容错CAN提供了一个解决方案。
单线CAN硬件
单线CAN接口与设备的通信速率可达33.3kbit/s（高速模式下为88.3kbit/s）。单线CAN的其他名称包括SAE-J2411、CAN A和GMLAN。汽车内典型的单线设备对性能要求不高。常见的应用包括舒适性设备，如座椅和后视镜调节器。
CAN术语
CAN设备在CAN网络中发送数据的数据包称为帧。一个CAN帧由以下几个部分组成。CAN帧--整个CAN传输：仲裁ID、数据字节、确认位等。帧也被称为报文。
图2.标准的CAN帧格式
SOF（frame start-of-frame）位--表示消息的开始，有一个主导位（逻辑0）。
仲裁ID--标识消息，并表示消息的优先级。帧有两种格式--标准的，使用11位仲裁ID，扩展的，使用29位仲裁ID。
IDE（标识符扩展）位--允许区分标准帧和扩展帧。
RTR（远程传输请求）位--用于区分远程帧和数据帧。显性（逻辑0）RTR位表示数据帧。隐性（逻辑1）RTR位表示远程帧。
DLC（数据长度代码）--表示数据字段包含的字节数。
数据字段--包含0～8个字节的数据。
CRC（循环冗余检查）--包含15位循环冗余检查码和隐性定界位。CRC字段用于错误检测。
ACK(ACKnowledgement)槽--任何正确接收报文的CAN控制器都会在报文结束时发送一个ACK位。发送节点检查总线上是否存在ACK位，如果没有检测到确认，则重新尝试传输。
CAN信号 - 包含在CAN帧数据域中的单个数据。您也可以将CAN信号称为通道。因为数据字段最多可以包含8个字节的数据，所以一个CAN帧可以包含0到64个单独的信号（对于64个通道，它们都是二进制的）。
在下图中，一个CAN帧的数据域中包含6个通道。每个信号包含8位数据。
图3.信号的定义 信号可以定义为CAN帧内一定数量的比特
CAN数据库文件
CAN数据库文件是包含CAN帧和信号定义的缩放信息的文本文件。对于每个信号，CAN数据库定义了转换为工程单位的规则。以下数据存储在数据库中。
可以使用这些信息轻松地将 "原始 "帧信息（通常是字节）转换为 "真实世界 "的值。下图说明了这种转换的一个例子。
图4. 所有必要的缩放数据都包含在数据库中，用于将帧转换为信号。
CAN数据库文件可能包含整车的帧和信号定义。每个网络都有自己独特的数据库文件。此外，这些数据库文件是特定于厂商的，通常是保密的。通过对CAN网络上的许多帧使用数据库文件，许多CAN API（如NI-XNET）可以自动将帧信息直接转换为现实世界的值。这简化了应用开发，因为永远不需要担心原始帧值。
CAN通信如何工作
如前所述，CAN是一个点对点的网络。这意味着没有一个主站来控制各个节点何时可以在CAN总线上读写数据。当一个CAN节点准备传输数据时，它检查总线是否繁忙，然后简单地在网络上写一个CAN帧。传输的CAN帧不包含发送节点或任何接收节点的地址。取而代之的是一个在整个网络中独一无二的仲裁ID来标记该帧。CAN网络上的所有节点都会收到CAN帧，根据该传输帧的仲裁ID，网络上的每个CAN节点都会决定是否接受该帧。如果多个节点试图同时将一个消息传输到CAN总线上，优先级最高（仲裁ID最低）的节点自动获得总线访问权。优先级较低的节点必须等到总线变得可用后才能再次尝试传输。通过这种方式，可以实现CAN网络以确保CAN节点之间的确定性通信。
图5. CAN包含内置的报文优先级以避免冲突
