CAN总线仲裁示意图_CAN总线位仲裁技术及优缺点

　　本文首先介绍了CAN总线仲裁是什么，其次介绍了CAN总线仲裁的示意图，最后详细的阐述了CAN总线位仲裁技术及优缺点，具体的跟随小编一起来了解一下吧。

　　CAN总线仲裁简介

　　CAN总线采用的是一种叫做“载波监测，多主掌控／冲突避免”（CSMA／CA）的通信模式。这种总线仲裁方式允许总线上的任何一个设各都有机会取得总线的控制权并向外发送数据。如果在同一时刻有2个或2个以上的设各要求发送数据，就会产生总线冲突，CAN总线能够实时地检测这些冲突并对其进行仲裁，从而使具有高优先级的数据不受任何损坏地传输。

　　当总线处于空闲状态时呈隐性电平，此时任何节点都可以向总线发送显性电平作为帧的开始。如果2个或2个以上同时发送就会产生竞争。CAN总线解决竞争的方法同以太网的CSMA／CD（Carrier Sense MulTIple Access with Collislon DetecTIon）方法基本相似，如图1所示。此外，CAN总线做了改进并采用CSMA／CA（Carrier Sense MulTIple Access with Collision Avoidance）访问总线，按位对标识符进行仲裁。各节点在向总线发送电平的同时，也对总线上的电平读取，并与自身发送的电平进行比较，如果电平相同继续发送下一位，不同则停止发送退出总线竞争。剩余的节点继续上述过程，直到总线上只剩下1个节点发送的电平，总线竞争结束，优先级高的节点获得总线的控制权。

　　

　　图1 Ethernet采用的CSMA／ CD总线访问过程

　　CAN总线以报文为单位进行数据传输，报文的优先级结合在44位标识符中（扩展帧的标识符29位），具有最小二进制数的标识符的节点具有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时确定就不能随意地更改，总线读取产生的冲突主要靠这些位仲裁解决。之所以CAN总线不采用以太网使用的延时避免冲突，主要是为了保证具有更高优先级的节点能够完整地实时传输，而且CSMA／CA可以有效地避免冲突。

　　如图2所示，节点A和节点B的标识符的第lO、9、8位电平相同，因此两个节点侦听到的信息和它们发出的信息相同。第7位节点B发出一个“1”，但从节点上接收到的消息却是“0”，说明有更高优先级的节点占用总线发送消息。节点B会退出发送处于单纯监听方式而不发送数据；节点A成功发送仲裁位从而获得总线的控制权，继而发送全部消息。总线中的信号持续跟踪最后获得总线控制权发出的报文，本例中节点A的报文将被跟踪。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于，在网络最终确定哪个节点被传送前，报文的起始部分已经在网络中传输了，因此具有高优先级的节点的数据传输没有任何延时。在获得总线控制权的节点发送数据过程中，其他节点成为报文的接收节点，并且不会在总线再次空闲之前发送报文。

　　

　　图2 CAN总线节点访问总线过程

　　图3为CAN总线上节点的电平逻辑，总线上的节点电平对于总线电平而言是相与的关系，只有当3个节点的电压都等于1（隐性电平），总线才会保持在ycc（隐性电平）状态。只要有1个节点切换到0状态（显性电平），总线就会被强制在显性状态（0）。这种避免总线冲突的仲裁方式能够使具有高优先级的消息没有延时地占用总线传输。

　　

　　图3 CAN总线上节点的电平逻辑

　　CAN总线仲裁示意图

　　CAN是多主机的方式，所有节点都可以发送数据，发送时，标识符是本机的标识符，发送数据为群发方式，广播方式，具体数据，所有CAN节点都可以同时得到，但可以每个CAN节点可以设置CAN标识符滤波，可设置只接收需要的节点的数据，设置后由硬件完成筛选，这样优于485单主机的主从传输总线传输方式，物理上采用差分信号传输。

　　因为CAN收发器的特点，适合多主机的发送方式，多主机是否可以同时发送数据呢？是可以的，因为CAN 总线相当于一个“线与”的结构，显性（逻辑0）与隐性（逻辑1）相遇，变为显性（逻辑0），就像孙悟空说的，雄的与雌的，雌的见了雄的，就不灵了。其实就是逻辑运算里的：0&0=0， 0&1=0，这里就是显性为主。所有CAN节点相当于一个个与门，低电平（逻辑0）有效，一个拉低，所有全低。

　　总线仲裁的示意图（标准帧格式）如下：

　　

　　因此得到标识符是有优先级的，因为高位在前，低位在后，CAN标识符组成的数值越小优先级越高。

　　CAN总线位仲裁技术

　　只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文。

　　要对数据进行实时处理，就必须将数据快速传送，这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。在几个站同时需要发送数据时，要求快速地进行总线分配。

　　

　　如果2个或2 个以上的单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。通过使用识别符的位形式仲裁可以解决这个冲突。

　　CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。

　　仲裁的机制确保信息和时间均不会损失。当具有相同识别符的数据帧和远程帧同时初始化时，数据帧优先于远程帧。

　　CAN总线采用非归零（NRZ）编码，所有节点以“线与”方式连接至总线。如果存在一个节点向总线传输逻辑0，则总线呈现逻辑0状态，而不管有多少个节点在发送逻辑1。CAN网络的所有节点可能试图同时发送，但其简单的仲裁规则确保仅有一个节点控制总线、并发送信息。低有效输出状态（0）起决定性作用。

　　仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送。如果发送的是一“隐性”电平（逻辑1）而监测到一“显性”电平（逻辑0），那么该单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。

　　

　　所有标识符都有相同的两位01，直到第3位进行比较时，站1的报文被丢掉，因为它的第3位为高，而其它两个站的报文第3位为低。站2和站3报文的4、5、6位相同，直到第7位时，站3的报文才被丢失。

　　CAN总线位仲裁技术的优缺点

　　优点

　　在网络最终确定哪一个站的报文被传送以前，报文的起始部分已经在网络上传送了。

　　所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站，并且不会在总线再次空闲前发送报文。

　　CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用，这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。

　　缺点

　　由于CAN总线采用的是固定优先级，当所有的节点都随机的向总线发送数据时，具有低优先级的节点是比具有高优先级的节点具有较大的发送失败几率。

　　每次具有较低优先级的节点都会在总线竞争中失败，从而导致它一个数据都发不出去，或者发送的数据有较大的延时。