CAN總線光纖中繼器

CAN總線光纖中繼器匯報人：沈拓時間：2016.9.25目錄CONTENT1引言2研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景4CAN總線中繼器介紹5總結(jié)3CAN總線技術(shù)介紹1引言

近年來,隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及控制、計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互滲透,信息交換正以前所未有的速度廣泛地應(yīng)用到各個領(lǐng)域,傳統(tǒng)的RS232等通信標(biāo)準(zhǔn)己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)現(xiàn)場的通信需要,而現(xiàn)場總線以其開放性、數(shù)字化、多點通信以及造價低廉的特性,越來越受到用戶的青睞。CAN就是最具代表性的一種總線,它是由德國BOSch公司80年代初為解決汽車中眾多數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。CAN是一種采用無破壞性位競爭機(jī)制實現(xiàn)串行多主通信的現(xiàn)場總線。由于具有抗干擾能力強(qiáng)、報文短、實時性好和組網(wǎng)成本低等優(yōu)點，CAN總線被廣泛地應(yīng)用于環(huán)境惡劣、電磁輻射大、對可靠性要求高的工業(yè)自動化現(xiàn)場和汽車部件控制等領(lǐng)域。2研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景2.1CAN總線的研究現(xiàn)狀國外發(fā)展現(xiàn)狀：在歐美，CAN總線技術(shù)發(fā)展應(yīng)用已十分成熟，大部分汽車制造商，如寶馬、保時捷、勞斯萊斯、大眾、沃爾沃、雷諾等都已經(jīng)使用了CAN總線支持CAN協(xié)議的有英特爾、摩托羅拉、惠普、西門子、MICROCHIP、NEC等著名公司國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀：在國內(nèi)，關(guān)于CAN總線應(yīng)用的成果大量發(fā)表在各類相關(guān)的科技期刊上,應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛:如樓宇監(jiān)控和電梯的控制系統(tǒng)、機(jī)器人的分布式控制系統(tǒng)、船艦上的控制系統(tǒng)和醫(yī)療儀器主監(jiān)控系統(tǒng)、軸承檢測系統(tǒng)、礦井監(jiān)控系統(tǒng)、停車場燈光監(jiān)控系統(tǒng)、船舶航行數(shù)據(jù)記錄儀(VDR)等等諸多領(lǐng)域2.2CAN總線的發(fā)展前景

CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò),其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛是因其具有如下特點:(1)可以多主方式工作;(2)通信方式靈活;(3)網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息可分成不同的優(yōu)先級,可以滿足不同的實時要求;(4)采用非破壞性總線仲裁技;(5）系統(tǒng)可擴(kuò)充性能好。

(6）CAN是被最早制定為國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。

基于以上特點，CAN總線技術(shù)必然會隨著現(xiàn)場總線時代的到來以及我國不斷的經(jīng)濟(jì)改革以及市場開放的巨大需求而得到更加深入的理解和更為廣泛的應(yīng)用,將使控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及自動化技術(shù)發(fā)生一次根本性變革。3CAN總線技術(shù)介紹3.1CAN總線簡介

CAN總線，全稱ControllerAreaNetwork，中文為控制器局域網(wǎng)，是現(xiàn)今汽車行業(yè)里被廣泛應(yīng)用的一種現(xiàn)場總線技術(shù)。CAN總線技術(shù)是由德國Bosch公司開發(fā)的，最終發(fā)布了正式的

CAN總線國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898。CAN總線是一種串行通訊，它將各控制節(jié)點以某種結(jié)構(gòu)連接在一起，實現(xiàn)通訊和數(shù)據(jù)共享，是一種分布式多主結(jié)構(gòu)的總線。

3.2CAN總線的系統(tǒng)構(gòu)成

CAN總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線，也是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線主要由四部分組成：導(dǎo)線、CAN控制器、CAN收發(fā)器和終端電阻。其中導(dǎo)線為雙絞線，其介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。CAN控制器主要對收發(fā)的信號進(jìn)行解析翻譯。CAN收發(fā)器用于接收和發(fā)送信息到總線網(wǎng)絡(luò)上。終端電阻是防止CAN信號發(fā)生反射，導(dǎo)致通訊故障。CAN總線的系統(tǒng)組成、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳輸介質(zhì)相關(guān)介紹如下。3.2.1CAN總線的系統(tǒng)組成

其中使用微處理器負(fù)責(zé)CAN總線數(shù)據(jù)處理，完成收發(fā)啟動等特定功能。CAN控制器扮演實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的角色，它提供了微處理器的物理線路接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。CAN總線驅(qū)動器提供了CAN控制器和物理總線之間的接口，實現(xiàn)對CAN總線的差動發(fā)送和接收功能，是影響系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素之一。CAN總線系統(tǒng)構(gòu)成示意圖：3.2.2CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)CAN總線是一種分布式的控制總線，總線上每一個節(jié)點一般來說都比較簡單，通過CAN總線將各節(jié)點連接只需要較少的線纜，可靠性也較高。

在總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，傳輸介質(zhì)是一條總線，工作站通過相應(yīng)硬件接口接到總線上。一個站發(fā)送數(shù)據(jù)，所有其他站都能接收。樹形拓?fù)涫强偩€拓?fù)涞臄U(kuò)展形式，傳輸介質(zhì)是不封閉的分支電纜。因為所有節(jié)點共享一條傳輸鏈路，一次只允許一個站發(fā)送信息，需有某種存取控制方式，確定下一個可以發(fā)送的站。信息也是按分組發(fā)送，達(dá)到目的站后，經(jīng)過地址識別，將信息復(fù)制下來?？偩€拓?fù)溆泻芏喾矫娴膬?yōu)點，如：（1）總線結(jié)構(gòu)所需要的電纜數(shù)量少。（2）總線結(jié)構(gòu)簡單，又是無源工作，有較高的可靠性。（3）易于擴(kuò)充，增加或減少用戶比較方便。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖：3.2.3CAN總線傳輸介質(zhì)

CAN總線可使用多種傳輸介質(zhì)，常用的如雙絞線、同軸電纜、光纖等，同一段CAN總線網(wǎng)絡(luò)要采用相同的傳輸介質(zhì)?；陔p絞線的CAN總線分布系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用。其主要特點如下：雙絞線采用抗干擾的差分信號傳輸方式；技術(shù)上易實現(xiàn)、造價低；對環(huán)境電磁輻射有一定的抑制能力；使用非屏蔽雙絞線時，只需要2根線纜作為差分信號線傳輸；使用屏蔽雙絞線時，除需要兩根差分信號線連接以外，還要注意在同一網(wǎng)絡(luò)段中的屏蔽層單點接地問題。3.3CAN總線的性能特點

CAN屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于其采用了許多新技術(shù)及獨特的設(shè)計，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點可概括為：(1)

CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)

l0km；通信速率最高可達(dá)1Mbps；(2)CAN上的節(jié)點數(shù)最多可達(dá)110個。(3)CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，降低了數(shù)據(jù)出錯率，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。(4)CAN節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。(5)CAN的通信介質(zhì)可使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)，價格低廉，可靠性強(qiáng)。3.4CAN總線分層結(jié)構(gòu)CAN總線的分層結(jié)構(gòu)與OSI模型的關(guān)系：

數(shù)據(jù)鏈路層可以分為兩層,邏輯鏈路控制層LLC和媒體訪問控制層MAC。LLC層主要為數(shù)據(jù)發(fā)送和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求來服務(wù)，確認(rèn)LLC層報文實際是否被接收，并提供信息給恢復(fù)管理和超載通知。在定義目標(biāo)處理時，存在很多靈活性。MAC子層定義了發(fā)送規(guī)則，及實現(xiàn)控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標(biāo)定、故障界定等功能。數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是將物理層的物理信號轉(zhuǎn)化成有含義的信息，提供一些數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂屏鞒獭?/p>

物理層是各節(jié)點之間實際發(fā)送的物理信號的傳輸層，它包含傳輸方式、時序、編譯、重同步等過程。3.5CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)CAN總線標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用最廣泛的是ISO11898，一共分為五個部分。第一部分ISO11898-1：描述CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層和物理層信號傳輸?shù)囊?guī)范內(nèi)容。第二部分ISO11898-2：描述高速CAN總線的物理層的一些規(guī)范和接口。包括高速CAN的系統(tǒng)電氣特性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟蟆⒔K端電阻、總線錯誤等描述。第三部分ISO11898-3：描述速率在40kb/s至125kb/s之間的低速CAN總線數(shù)字信息交換的特性。規(guī)范了一些關(guān)鍵的物理層參數(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、終端電阻、時間延遲等要求。當(dāng)使用低速CAN做開發(fā)時要參考此標(biāo)準(zhǔn)。第四部分ISO11898-4：描述各電控節(jié)點之間在CAN總線通訊中時間觸發(fā)的數(shù)據(jù)交互的一些特性。第五部分ISO11898-5：描述在低電模式下的高速CAN的物理特性。3.6CAN報文傳送和幀結(jié)構(gòu)

報文中的位流按照非歸零碼（NRZ）方法編碼。報文傳送由4種不同類型的幀表示和控制：數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器至接收器；遠(yuǎn)程幀通過總線單元發(fā)送，以請求發(fā)送具有相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀；出錯幀由檢測出總線錯誤的任何單元發(fā)送；超載幀用于提供當(dāng)前的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀的附加延遲。一、數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應(yīng)答場和幀尾。數(shù)據(jù)場長度可為0。

在CAN2.0B中存在兩種不同的幀格式（標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式）。二、遠(yuǎn)程幀作為接收器的節(jié)點可以通過向相應(yīng)的數(shù)據(jù)源節(jié)點發(fā)送一個遠(yuǎn)程幀來激活該源節(jié)點，讓它把該源節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送給接收器。遠(yuǎn)程幀由6個不同位場組成:幀起始場、仲裁場、控制場、CRC場、應(yīng)答場(ACK)、幀結(jié)束場。三、錯誤幀錯誤幀由錯誤標(biāo)志疊加場和錯誤幀界定符組成錯誤標(biāo)志具有兩種形式：一種是活動出錯標(biāo)志；一種是認(rèn)可出錯標(biāo)志?；顒映鲥e標(biāo)志由6個連續(xù)的顯位組成；而認(rèn)可出錯標(biāo)志由6個連續(xù)的隱位組成，它可被來自其他節(jié)點的顯位改寫。出錯界定符包括8個隱位。四、超載幀

超載幀包括兩個位場：超載標(biāo)志和超載界定符。超載標(biāo)志由6個顯位組成。超載界定符由8個隱位組成。3.7CAN總線的優(yōu)點CAN總線作為一種現(xiàn)場總線，具有如下優(yōu)點：通訊實時性強(qiáng)

抗干擾能力強(qiáng)

可靠性強(qiáng)

具有錯誤處理功能是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線4CAN總線中繼器介紹

CAN中繼器是CAN總線系統(tǒng)的組網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。中繼器可以將同一層的兩段網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，也可以實現(xiàn)上、下層的不同總線進(jìn)行互聯(lián)，起到網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)作用。在大中型的CAN總線系統(tǒng)中經(jīng)常會使用到中繼器，尤其是那些需要遠(yuǎn)距離甚至超遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓こ添椖俊?.1CAN總線中繼器的功能CAN總線中繼器的功能分成線路中繼和網(wǎng)絡(luò)中繼兩種。線路中繼——CAN總線中繼器只是將通過的電信號強(qiáng)度增強(qiáng)，一般不改變本來信號的其他所有特性（一些中繼器過濾噪聲），即所謂的“啞設(shè)備”，具有如下特征：中繼器延伸數(shù)據(jù)傳輸距離是通過信號再生的方式；中繼器只用于傳輸協(xié)議的最底層，即物理層，高層協(xié)議不使用中繼；中繼器所連接的兩條線路必須使用同樣的介質(zhì)訪問方式；與中繼器相連的兩條線路成為同一網(wǎng)絡(luò)的一部分，必須具有相同的地址；中繼器兩條線的波特率和格式可以不一致。

網(wǎng)絡(luò)中繼——CAN總線中繼器可以用于連接兩條不同的總線，除了增加通信距離外，還能增加CAN總線所允許的節(jié)點掛接數(shù)，并且使得CAN總線的網(wǎng)絡(luò)得以擴(kuò)展，相當(dāng)于網(wǎng)關(guān)的功能。與線路中繼功能所不同的是，中繼器兩端的線路可以是不同層次的同一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在這些情況下，中繼器其實承擔(dān)的是網(wǎng)間連接器和協(xié)議轉(zhuǎn)換器的作用。本作品版權(quán)歸上海銳普廣告有限公司PPT研究院作者所有購買和下載者只是獲得了使用授權(quán)，并不能獲得著作權(quán)任單位和個人不得以任何形式銷售、傳播本作品轉(zhuǎn)載請注明出處，保留本版權(quán)頁，請勿以身試法4.2CAN總線中繼器總體設(shè)計思路中繼器的整體設(shè)計可以采用兩種方案：第一種方案：圍繞單個MCU設(shè)計中繼器兩段線路的收發(fā)器電路，其優(yōu)點是電路簡單，容易控制成本，且單個MCU中繼器一般采用多任務(wù)實時操作系統(tǒng)從而可使數(shù)據(jù)流的控制更加流暢，但是在數(shù)據(jù)交換量較大的應(yīng)用中容易給MCU帶來巨大的負(fù)擔(dān)，特別是在進(jìn)行多主傳輸?shù)那闆r下，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使得數(shù)據(jù)延遲時間加大。第二種方案：兩段線路各自設(shè)置一個MCU，并在兩個MCU周圍各自設(shè)計相應(yīng)的接收器電路，用高速的現(xiàn)場總線來進(jìn)行兩個核心處理器的數(shù)據(jù)交換。其優(yōu)點在于易于控制數(shù)據(jù)傳輸速率，在大數(shù)據(jù)量的情況下可以進(jìn)行快速處理，從而使系統(tǒng)的可靠性加強(qiáng)。另外，這種設(shè)計方法使得不同種類總線間的數(shù)據(jù)交換變得非常簡單，因為兩個MCU的數(shù)據(jù)格式相同，一個MCU也不用理會另一個的接收器類型。當(dāng)然，因為涉及兩個MCU，這種中繼器的設(shè)計成本也會大一些。

4.3中繼器硬件整體設(shè)計要求由于中繼器需要擁有很好的可靠性，所以對其MCU的要求也相對較高，必須具備快速的速度以減少數(shù)據(jù)在MCU中的滯留時間；必須擁有較大的存儲空間，從而在大數(shù)據(jù)量傳輸時進(jìn)行數(shù)據(jù)的緩沖；必須擁有長期無故障運行的可靠性，從而適合廣泛的工程應(yīng)用；必須具備較豐富的外設(shè)接口，滿足CAN總線甚至擴(kuò)展到其他現(xiàn)場總線中的使用。4.4CAN總線中繼器外圍芯片介紹1、800mA低回動電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117（3.3V）AMS1117芯片具有如下優(yōu)點：穩(wěn)定的