Bus CAN 2.0

Présentation

Caractéristiques générales

CAN : Controller Area Network
Norme : ISO 11898
Type : Bus série différentiel multi-maîtres
Topologie : Bus linéaire avec terminaisons 120Ω
Arbitrage : Non destructif par priorité (CSMA/CA)
Débit : 125 kbit/s à 1 Mbit/s (CAN 2.0)

Avantages

Robustesse aux perturbations électromagnétiques
Détection et signalisation d'erreurs
Pas d'adressage des nœuds (communication par identifiant de message)
Arbitrage déterministe sans collision

Couche physique

Signaux différentiels

CAN_H : Signal haut
CAN_L : Signal bas
Tension différentielle : \(V_{diff} = V_{CAN\_H} - V_{CAN\_L}\)

États logiques

Dominant (0) : \(V_{diff} \approx 2V\) (CAN_H = 3,5V, CAN_L = 1,5V)
Récessif (1) : \(V_{diff} \approx 0V\) (CAN_H = CAN_L = 2,5V)

Règle d'arbitrage : Le bit dominant (0) écrase le bit récessif (1)

Débit et longueur de câble

Débit	Longueur max
1 Mbit/s	40 m
500 kbit/s	100 m
250 kbit/s	250 m
125 kbit/s	500 m
50 kbit/s	1000 m

Structure d'une trame CAN 2.0

Trame standard (11 bits d'identifiant)

SOF | Identifiant | RTR | IDE | r0 | DLC | Données | CRC | ACK | EOF
 1  |     11      |  1  |  1  |  1 |  4  |  0-64   | 16  |  2  |  7

Détail des champs

1. SOF (Start Of Frame)

Taille : 1 bit dominant (0)
Fonction : Synchronisation du début de trame

2. Identifiant

Standard : 11 bits (CAN 2.0A) → 2048 identifiants
Étendu : 29 bits (CAN 2.0B) → 536 millions d'identifiants
Priorité : Plus l'identifiant est faible, plus la priorité est haute
Exemple : ID = 0x123 (prioritaire) vs ID = 0x456

3. RTR (Remote Transmission Request)

Taille : 1 bit
Dominant (0) : Trame de données
Récessif (1) : Trame de requête (demande de données)

4. IDE (Identifier Extension)

Taille : 1 bit
Dominant (0) : Format standard (11 bits)
Récessif (1) : Format étendu (29 bits)

5. r0 (Réservé)

Taille : 1 bit dominant (0)
Fonction : Réservé pour usage futur

6. DLC (Data Length Code)

Taille : 4 bits
Fonction : Nombre d'octets de données (0 à 8)
Codage : Valeur binaire directe

7. Données

Taille : 0 à 8 octets (64 bits max)
Format : MSB en premier

8. CRC (Cyclic Redundancy Check)

Taille : 15 bits + 1 bit délimiteur récessif
Fonction : Détection d'erreurs
Polynôme : \(x^{15} + x^{14} + x^{10} + x^8 + x^7 + x^4 + x^3 + 1\)

9. ACK (Acknowledgement)

Taille : 2 bits (1 bit ACK + 1 bit délimiteur)
Émetteur : Envoie bit récessif (1)
Récepteurs : Écrasent avec bit dominant (0) si trame correcte

10. EOF (End Of Frame)

Taille : 7 bits récessifs (1)
Fonction : Fin de trame

Bit Stuffing

Principe

Pour garantir la synchronisation, après 5 bits consécutifs identiques, un bit de valeur opposée est automatiquement inséré.

Règles

Champ concerné : SOF → CRC (inclus)
Insertion automatique : Par l'émetteur
Suppression automatique : Par les récepteurs
Non compté : Dans le calcul de longueur de trame

Exemple

Données originales :

1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1

Après bit stuffing :

1 1 1 1 1 [0] 0 0 0 0 0 [1] 1
          ↑             ↑
      bit stuffé    bit stuffé

Explication : * Après 5 bits à 1 → insertion d'un 0 * Après 5 bits à 0 → insertion d'un 1

Détection d'erreur

Si un récepteur détecte 6 bits consécutifs identiques dans la zone de bit stuffing → Erreur de stuffing

Décodage d'une trame type

Exemple : Trame standard avec 4 octets de données

Trame brute (sans bit stuffing) :

0 | 00010010011 | 0 | 0 | 0 | 0100 | 11001100 10101010 11110000 00001111 | CRC(15) | 1 0 | 1111111

Décodage pas à pas

Étape 1 : SOF

* Valeur : 0 (dominant) * Signification : Début de trame

Étape 2 : Identifiant

00010010011

* Valeur binaire : 0x093 * Valeur décimale : 147 * Priorité : Moyenne (plus le nombre est petit, plus prioritaire)

Étape 3 : RTR

* Valeur : 0 (dominant) * Signification : Trame de données (pas une requête)

Étape 4 : IDE

* Valeur : 0 (dominant) * Signification : Format standard (11 bits d'ID)

Étape 5 : r0

* Valeur : 0 (réservé)

Étape 6 : DLC

* Valeur binaire : 4 * Signification : 4 octets de données

Étape 7 : Données

11001100 10101010 11110000 00001111

* Octet 0 : 0xCC (204) * Octet 1 : 0xAA (170) * Octet 2 : 0xF0 (240) * Octet 3 : 0x0F (15)

Étape 8 : CRC

CRC(15 bits) + délimiteur(1)

* Fonction : Vérification d'intégrité * Délimiteur : 1 (récessif)

Étape 9 : ACK

1 0

* Bit ACK : 1 envoyé par émetteur, écrasé en 0 par récepteurs * Délimiteur : 0 (récessif)

Étape 10 : EOF

* Valeur : 7 bits récessifs * Signification : Fin de trame

Résumé de la trame décodée

ID : 0x093 (147)
Type : Données (RTR=0)
Format : Standard (IDE=0)
Longueur : 4 octets
Données : [0xCC, 0xAA, 0xF0, 0x0F]

Arbitrage

Principe CSMA/CA

CSMA : Carrier Sense Multiple Access
CA : Collision Avoidance (évitement de collision)

Mécanisme

Tous les nœuds peuvent émettre simultanément
Pendant l'émission de l'identifiant, chaque nœud compare ce qu'il émet avec ce qu'il lit sur le bus
Si un nœud émet un bit récessif (1) mais lit un bit dominant (0) → il perd l'arbitrage et arrête d'émettre
Le nœud avec l'ID le plus faible gagne l'arbitrage

Exemple d'arbitrage

Nœud A émet ID = 0x100 (0001 0000 0000) Nœud B émet ID = 0x101 (0001 0000 0001)

Bit:  0  0  0  1  0  0  0  0  0  0  0
A:    0  0  0  1  0  0  0  0  0  0  0
B:    0  0  0  1  0  0  0  0  0  0  1
Bus:  0  0  0  1  0  0  0  0  0  0  0
                                    ↑
                        B perd l'arbitrage (émet 1, lit 0)

Résultat : Nœud A gagne (ID plus faible = priorité plus haute)

Détection d'erreurs

Types d'erreurs détectées

1. Erreur de bit

Un nœud émet un bit mais lit une valeur différente sur le bus
Exception : Pendant l'arbitrage et le champ ACK

2. Erreur de stuffing

Détection de 6 bits consécutifs identiques dans la zone de bit stuffing

3. Erreur de CRC

Le CRC calculé ne correspond pas au CRC reçu

4. Erreur de format

Violation du format de trame (ex: EOF incorrect)

5. Erreur d'acquittement

Aucun nœud n'a acquitté la trame (bit ACK reste récessif)

Gestion des erreurs

Détection : Signalisation par trame d'erreur (6 bits dominants consécutifs)
Retransmission : Automatique de la trame erronée
Compteurs d'erreurs : Chaque nœud maintient des compteurs (TEC/REC)
États : Error Active → Error Passive → Bus Off

CAN 2.0 vs CAN FD

Tableau comparatif

Caractéristique	CAN 2.0	CAN FD
Débit nominal	1 Mbit/s max	1 Mbit/s (phase arbitrage)
Débit données	1 Mbit/s max	Jusqu'à 8 Mbit/s
Longueur données	8 octets max	64 octets max
Bit stuffing	Toute la trame	Uniquement phase arbitrage
CRC	15 bits	17 ou 21 bits (selon DLC)
Compatibilité	-	Rétrocompatible avec CAN 2.0
Bit rate switch	Non	Oui (BRS)

Différences principales

1. Débit variable (CAN FD)

Phase d'arbitrage : Débit lent (compatibilité CAN 2.0)
Phase de données : Débit rapide (jusqu'à 8 Mbit/s)
Bit BRS : Active le changement de débit

2. Longueur de données (CAN FD)

DLC : Codage étendu pour 12, 16, 20, 24, 32, 48, 64 octets
Efficacité : Moins de trames pour transmettre beaucoup de données

3. CRC amélioré (CAN FD)

CRC-17 : Pour DLC ≤ 16 octets
CRC-21 : Pour DLC > 16 octets
Meilleure détection : Distance de Hamming améliorée

4. Bit stuffing (CAN FD)

Arbitrage : Bit stuffing classique
Données : Bit stuffing fixe (compteur)
Avantage : Longueur de trame plus prévisible

Structure trame CAN FD

SOF | ID | r1 | IDE | EDL | r0 | BRS | ESI | DLC | Données | CRC | ACK | EOF

Nouveaux bits : * EDL : Extended Data Length (1 = CAN FD) * BRS : Bit Rate Switch (1 = débit rapide pour données) * ESI : Error State Indicator

Applications typiques

Automobile

Réseau carrosserie : 125 kbit/s (confort, éclairage)
Réseau moteur : 500 kbit/s (injection, ABS)
Réseau multiplexé : 1 Mbit/s (temps réel critique)

Industrie

Automatismes : CANopen
Machines : DeviceNet
Contrôle-commande : 250-500 kbit/s

Autres

Aéronautique : Systèmes embarqués
Maritime : NMEA 2000
Médical : Équipements de diagnostic