CAN總線綜述報告

目錄TOC\o"1-3"\p""\h\z\uCAN現(xiàn)場總線綜述報告-1-1.CAN總線的產(chǎn)生和發(fā)展-1-2.CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)-2-3.協(xié)議通信方法-2-4.CAN總線技術(shù)介紹-3-4.1位仲裁-3-4.2CAN的報文格式-4-4.3數(shù)據(jù)錯誤檢測-4-4.3.1循環(huán)冗余檢查(CRC)-4-4.3.2幀檢查-4-4.3.3應(yīng)答錯誤-5-4.3.4總線檢測-5-4.4位填充-5-5.典型CAN總線器件及其應(yīng)用-5-5.1CAN通信控制器82C200-6-5.2SJA1000CAN控制器-6-5.3PCA82C250CAN收發(fā)器-7-6.總結(jié)-8-6.1CAN總線具有如下基本特點-8-6.2CAN總線的優(yōu)點總線的優(yōu)點總線的優(yōu)點總線的優(yōu)點-8-CAN現(xiàn)場總線綜述報告1.CAN總線的產(chǎn)生和發(fā)展控制器局部網(wǎng)（CAN－CONTROLLERAREANETWORK）是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機局部網(wǎng)，由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門?？刂破骶植烤W(wǎng)將在我國迅速普及推廣。隨著計算機硬件、軟件技術(shù)及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)已成為計算機技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最具活力的一個分支，并取得了巨大進步。由于對系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)為：控制面向多元化，系統(tǒng)面向分散化，即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。分散式工業(yè)控制系統(tǒng)就是為適應(yīng)這種需要而發(fā)展起來的。這類系統(tǒng)是以微型機為核心，將5C技術(shù)--COMPUTER（計算機技術(shù)）、CONTROL（自動控制技術(shù)）、COMMUNICATION（通信技術(shù)）、CRT（顯示技術(shù)）和CHANGE（轉(zhuǎn)換技術(shù)）緊密結(jié)合的產(chǎn)物。它在適應(yīng)范圍、可擴展性、可維護性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統(tǒng)和集中型計算機控制系統(tǒng)都具有明顯的優(yōu)越性[4]。典型的分散式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備、接口與計算設(shè)備以及通信設(shè)備組成?，F(xiàn)場總線（FIELDBUS）能同時滿足過程控制和制造業(yè)自動化的需要，因而現(xiàn)場總線已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中最為活躍的一個領(lǐng)域?，F(xiàn)場總線的研究與應(yīng)用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域的熱點。盡管目前對現(xiàn)場總線的研究尚未能提出一個完善的標準，但現(xiàn)場總線的高性能價格比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。同時，正由于現(xiàn)場總線的標準尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)場總線的應(yīng)用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場總線的完善提供更加豐富的依據(jù)?？刂破骶植烤W(wǎng)CAN（CONTROLLERAERANETWORK）正是在這種背景下應(yīng)運而生的。2.CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3.協(xié)議通信方法CAN為串行通訊協(xié)議，能有效地支持具有很高安全等級的分布實時控制。CAN的應(yīng)用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價位的多路接線都可以使用CAN。在汽車電子行業(yè)里，使用CAN連接發(fā)動機控制單元、傳感器、防剎車系統(tǒng)、等等，其傳輸速度可達1Mbit/s。同時，可以將CAN安裝在卡車本體的電子控制系統(tǒng)里，諸如車燈組、電氣車窗等等，用以代替接線配線裝置。技術(shù)規(guī)范的目的是為了在任何兩個CAN儀器之間建立兼容性。可是，兼容性有不同的方面，比如電氣特性和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的解釋。為了達到設(shè)計透明度以及實現(xiàn)靈活性，根據(jù)ISO/OSI參考模型，CAN2.0規(guī)范細分為以下不同的層次：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層(如圖所示)。數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層物理層邏輯鏈路子層LLC接收濾波超載通知恢復(fù)管理介質(zhì)訪問控制子層MAC數(shù)據(jù)包裝/解包幀編碼介質(zhì)訪問管理錯誤監(jiān)測出錯標定應(yīng)答串并轉(zhuǎn)換位編碼/解碼位定時同步驅(qū)動器接收器特性故障界定總線故障管理監(jiān)控器CAN協(xié)議具有以下的屬性：?報文的優(yōu)先權(quán)?保證延遲時間?設(shè)置靈活?時間同步的多點接收?系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的連貫性?多主機?錯誤檢測和錯誤標定?只要總線一處于空閑，就自動將破壞的報文重新傳輸?將節(jié)點的暫時性錯誤和永久性錯誤區(qū)分開來，并且可以自動關(guān)閉由OSI參考模型分層CAN結(jié)構(gòu)的錯誤的節(jié)點。4.CAN總線技術(shù)介紹4.1位仲裁要對數(shù)據(jù)進行實時處理，就必須將數(shù)據(jù)快速傳送，這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，要求快速地進行總線分配。實時處理通過網(wǎng)絡(luò)交換的緊急數(shù)據(jù)有較大的不同。一個快速變化的物理量，如汽車引擎負載，將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數(shù)據(jù)并要求更短的延時。CAN總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送，報文的優(yōu)先級結(jié)合在11位標識符中，具有最低二進制數(shù)的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設(shè)計時被確立后就不能再被更改?？偩€讀取中的沖突可通過位仲裁解決。當幾個站同時發(fā)送報文時，站1的報文標識符為011111；站2的報文標識符為0100110；站3的報文標識符為0100111。所有標識符都有相同的兩位01，直到第3位進行比較時，站1的報文被丟掉，因為它的第3位為高，而其它兩個站的報文第3位為低。站2和站3報文的4、5、6位相同，直到第7位時，站3的報文才被丟失。注意，總線中的信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權(quán)的站的報文。在此例中，站2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點在于，在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪一個站的報文被傳送以前，報文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上傳送了。所有未獲得總線讀取權(quán)的站都成為具有最高優(yōu)先權(quán)報文的接收站，并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文。CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用，這些請求是根據(jù)報文在整個系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡(luò)負載較重時有很多優(yōu)點，因為總線讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了，這可以保證在實時系統(tǒng)中較低的個體隱伏時間。對于主站的可靠性，由于CAN協(xié)議執(zhí)行非集中化總線控制，所有主要通信，包括總線讀取(許可)控制，在系統(tǒng)中分幾次完成。這是實現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。4.2CAN的報文格式在總線中傳送的報文，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報文格式，其唯一的不同是標識符(ID)長度不同，標準格式為11位，擴展格式為29位。在標準格式中，報文的起始位稱為幀起始(SOF)，然后是由11位標識符和遠程發(fā)送請求位(RTR)組成的仲裁場。RTR位標明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀,在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。控制場包括標識符擴展位(IDE)，指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位(ro)，為將來擴展使用。它的最后四個字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度(DLC)。數(shù)據(jù)場范圍為0～8個字節(jié)，其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC)。應(yīng)答場(ACK)包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平(邏輯1)，這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個站能正確接收到報文。報文的尾部由幀結(jié)束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位，如果這時沒有站進行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。4.3數(shù)據(jù)錯誤檢測不同于其它總線，CAN協(xié)議不能使用應(yīng)答信息。事實上，它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯誤的方法，其中前三種為基于報文內(nèi)容檢查。4.3.1循環(huán)冗余檢查(CRC)在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。4.3.2幀檢查這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性，用于檢查格式上的錯誤。4.3.3應(yīng)答錯誤如前所述，被接收到的幀由接收站通過明確的應(yīng)答來確認。如果發(fā)送站未收到應(yīng)答，那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯誤，也就是說，ACK場已損壞或網(wǎng)絡(luò)中的報文無站接收。CAN協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯誤。4.3.4總線檢測有時，CAN中的一個節(jié)點可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。因此，發(fā)送報文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。4.4位填充一幀數(shù)據(jù)中的每一位都由不歸零表示,可保證位編碼的最大效率。然而，如果在一幀報文中有太多相同電平的位，就有可能失去同步。為保證同步，同步沿用位填充產(chǎn)生。在五個連續(xù)相等位后，發(fā)送站自動插入一個與之互補的補碼位；接收時，這個填充位會被自動丟掉。例如，五個連續(xù)的低電平后，CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯誤，如果在一幀報文中有6個相同位，CAN就知道發(fā)生了錯誤。如果至少有一個站通過以上方法探測到一個或多個錯誤，它將發(fā)送出錯標志終止當前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文，并保證網(wǎng)絡(luò)上報文的一致性。當大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后，發(fā)送站會自動地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。作為規(guī)則，在探測到錯誤后23個位周期內(nèi)重新開始發(fā)送。在特殊場合，系統(tǒng)的恢復(fù)時間為31個位周期。但這種方法存在一個問題，即一個發(fā)生錯誤的站將導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)被終止，其中也包括正確的數(shù)據(jù)。因此，如果不采取自監(jiān)測措施，總線系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計。為此，CAN協(xié)議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部失敗中區(qū)別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統(tǒng)計評估來確定一個站本身的錯誤并進入一種不會對其它站，產(chǎn)生不良影響的運行方法來實現(xiàn)，即站可以通過關(guān)閉自己來阻止正常數(shù)據(jù)因被錯誤地當成不正確的數(shù)據(jù)而被終止。5.典型CAN總線器件及其應(yīng)用CAN總線的突出優(yōu)點使其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用得到迅速發(fā)展，這使得許多器件廠商競相推出各種CAN總線器件產(chǎn)品，已逐步形成系列。下表列出了一些主要的CAN總線產(chǎn)品，這里僅對典型的芯片加以介紹。5.1CAN通信控制器82C200完成CAN規(guī)范所規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層大部分功能。有微處理器接口，易于連接單片機。結(jié)構(gòu)分兩種類型，獨立IC或與單片機集成在一起，82C200（SJA1000）屬于前者。屬于后者的有：PHILIPS的87C591、LPC2119，西門子的C167C，INTEL的80C196CA等。都遵循CAN2.0規(guī)范，掌握其中一種就可觸類旁通。對于不同型號的CAN總線通信控制器，實現(xiàn)CAN協(xié)議部分電路的結(jié)構(gòu)和功能大都相同，而與微控制器接口部分的結(jié)構(gòu)及方式存在一些差異。這里主要以PHILIPS82C200為代表對CAN控制器的結(jié)構(gòu)、功能及應(yīng)用加以介紹。5.2SJA1000CAN控制器SJA1000是一個獨立的CAN控制器，它在汽車和普通的工業(yè)應(yīng)用上有先進的特征，適合于多種應(yīng)用特別在系統(tǒng)優(yōu)化診斷和維護方面非常重要。SJA1000獨立的CAN控制器有2個不同的操作模式：1BasicCAN模式：和PCA82C200兼容。BasicCAN模式是上電后默認的操作模式，因此用PCA82C200開發(fā)的已有硬件和軟件，可以直接在SJA1000上使用而不用作任何修改。2PeliCAN模式：是新的操作模式。它能夠處理所有CAN2.0B規(guī)范的幀類型。而且它還提供一些增強功能，使SJA1000能應(yīng)用于更寬的領(lǐng)域。工作模式通過時鐘分頻寄存器中的CAN模式位來選擇，復(fù)位時默認模式是BasicCAN模式。發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送緩沖區(qū)驗收濾波器接收FIFOCAN2.0B核心模塊接口管理邏輯主控制器收發(fā)器SJA1000CAN總線線路圖：SJA1000控制器的結(jié)構(gòu)CAN核心模塊：根據(jù)CAN規(guī)范控制CAN幀的發(fā)送和接收。接口管理邏輯：用于連接外部主控制器。SJA1000通過復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，與主控制器聯(lián)系。發(fā)送緩沖器：用于存儲一個完整的擴展的或標準的報文。當主控制器初始發(fā)送時，接口管理邏輯會使CAN核心模塊從發(fā)送緩沖器讀CAN報文。驗收濾波器：通過這個可編程的濾波器能確定主控制器要接收哪些報文。接收FIFO：用于存儲所有收到的報文，儲存報文的多少由工作模式?jīng)Q定，最多能存儲32個報文。5.3PCA82C250CAN收發(fā)器PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口。此器件對總線提供差動發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動接收能力。又稱為總線驅(qū)動器。符合ISO11898標準，最高速率1Mbps；抗汽車環(huán)境瞬間干擾，具有保護總線能力；斜率控制，降低射頻干擾RFI；熱保護以及電源和地短路保護；低電流待機模式；未上電的節(jié)點對總線無影響；可連接110個節(jié)點；工作溫度-40～+125℃內(nèi)部具有限流電路，可防止發(fā)送輸出級對電源、地或負載短路。雖然短路出現(xiàn)時功耗增加但不至于損壞器件。若結(jié)溫超過160℃6.總結(jié)6.1CAN總線具有如下基本特點1.廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼，可以多主方式工作；2、采用非破壞性仲裁技術(shù)，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；3、采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短；4、每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境下使用；5、節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響；6、可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。6.2CAN總線的優(yōu)點總線的優(yōu)點總線的優(yōu)點總線的優(yōu)點1、具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點；2、采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；3、具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN控制器掛到CA