《CAN協(xié)議簡介》課件

CAN協(xié)議簡介CAN協(xié)議是一種用于汽車和工業(yè)自動化應(yīng)用的串行通信協(xié)議。它提供了一種可靠且高效的方式來傳輸數(shù)據(jù)，支持不同設(shè)備之間的通信。什么是CAN協(xié)議?控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN協(xié)議是一種用于汽車和其他嵌入式系統(tǒng)中不同電子控制單元之間通信的協(xié)議。它提供了一種可靠、靈活且高效的通信方式。應(yīng)用廣泛CAN協(xié)議廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，包括發(fā)動機(jī)控制、車身控制、安全系統(tǒng)和車載娛樂系統(tǒng)。工業(yè)自動化除了汽車行業(yè)，CAN協(xié)議也在工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備和其他領(lǐng)域得到應(yīng)用。CAN協(xié)議的歷史發(fā)展CAN總線最初由德國博世公司于20世紀(jì)80年代提出并開發(fā)。11983年博世公司開始研究CAN總線技術(shù)。21986年第一個CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。31991年ISO11898標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。42012年CANFD協(xié)議發(fā)布。CAN協(xié)議最初被應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，后來逐漸擴(kuò)展到工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。CAN協(xié)議的優(yōu)勢實時性強(qiáng)CAN協(xié)議的實時性高，數(shù)據(jù)傳輸速率快，可滿足實時控制的需求。例如，在汽車電子系統(tǒng)中，CAN協(xié)議用于發(fā)動機(jī)控制、安全氣囊等關(guān)鍵系統(tǒng)的實時控制。可靠性高CAN協(xié)議具有高度的可靠性。其數(shù)據(jù)傳輸采用差分信號，具有抗干擾能力，并且配備了錯誤檢測和糾正機(jī)制，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。靈活擴(kuò)展性CAN總線可以連接多個節(jié)點，最多可達(dá)110個，并且每個節(jié)點可以獨立進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，具有靈活的擴(kuò)展能力。成本低廉CAN協(xié)議的硬件成本低廉，并且其軟件開發(fā)也相對簡單，這使得其成為多種應(yīng)用場景的理想選擇。CAN協(xié)議的工作原理1節(jié)點發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)報文2總線仲裁節(jié)點競爭總線控制權(quán)3數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)報文在總線上廣播4接收處理其他節(jié)點接收數(shù)據(jù)報文CAN協(xié)議采用廣播通信方式。每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，所有節(jié)點共享同一根總線。節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)報文時，必須先進(jìn)行總線仲裁。節(jié)點通過發(fā)送電平信號來競爭總線控制權(quán)。獲得控制權(quán)的節(jié)點才能將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上，其他節(jié)點只能接收數(shù)據(jù)。CAN協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)CAN協(xié)議幀結(jié)構(gòu)包含多個字段，每個字段都有特定的含義和作用。幀結(jié)構(gòu)定義了報文在總線上傳輸?shù)母袷?，便于?jié)點之間識別和解析報文內(nèi)容。起始符仲裁域控制域數(shù)據(jù)域CRC校驗ACK應(yīng)答幀結(jié)束符標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀1標(biāo)準(zhǔn)幀標(biāo)準(zhǔn)幀具有11位的標(biāo)識符，用于識別數(shù)據(jù)報文的優(yōu)先級，通常用于小型網(wǎng)絡(luò)，具有較高的實時性要求。2擴(kuò)展幀擴(kuò)展幀使用29位標(biāo)識符，可以支持更多的節(jié)點和數(shù)據(jù)報文，適用于大型網(wǎng)絡(luò)和復(fù)雜應(yīng)用場景。3幀結(jié)構(gòu)對比標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀的幀結(jié)構(gòu)基本相同，但標(biāo)識符長度和部分字段的定義有所區(qū)別。CAN協(xié)議的仲裁機(jī)制仲裁機(jī)制當(dāng)多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，需要一個機(jī)制來決定哪個節(jié)點優(yōu)先發(fā)送，這個機(jī)制稱為仲裁機(jī)制。優(yōu)先級CAN總線采用“位優(yōu)先級”的方式，優(yōu)先級高的節(jié)點會優(yōu)先獲得總線控制權(quán)。仲裁過程節(jié)點從最高有效位開始比較，如果兩個節(jié)點的數(shù)據(jù)相同，則繼續(xù)比較下一位。數(shù)據(jù)比較如果某個節(jié)點數(shù)據(jù)位的值為0，而另一個節(jié)點數(shù)據(jù)位的值為1，則值為0的節(jié)點優(yōu)先級更高。報文的傳輸過程1報文發(fā)送發(fā)送節(jié)點將報文打包成CAN幀格式。2仲裁過程多個節(jié)點同時發(fā)送報文時，通過仲裁機(jī)制決定哪個節(jié)點優(yōu)先發(fā)送。3報文傳輸獲勝節(jié)點的報文在總線上以電信號的形式進(jìn)行傳輸。4報文接收接收節(jié)點識別目標(biāo)地址，并對收到的報文進(jìn)行解碼。CAN協(xié)議的錯誤處理錯誤檢測CAN協(xié)議通過校驗和、CRC校驗等機(jī)制進(jìn)行錯誤檢測，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃?。錯誤幀當(dāng)檢測到錯誤時，發(fā)送節(jié)點會發(fā)送錯誤幀，提醒其他節(jié)點出現(xiàn)錯誤，并幫助進(jìn)行錯誤恢復(fù)。錯誤計數(shù)接收節(jié)點會記錄錯誤幀數(shù)量，超過一定閾值時，節(jié)點會進(jìn)入錯誤被動模式，停止發(fā)送數(shù)據(jù)。錯誤恢復(fù)節(jié)點可以通過重新發(fā)送數(shù)據(jù)、更改傳輸速率等方式進(jìn)行錯誤恢復(fù)，保證網(wǎng)絡(luò)正常運行。CAN協(xié)議的同步機(jī)制時鐘同步每個節(jié)點都使用一個內(nèi)部時鐘來計時，所有節(jié)點的時鐘必須同步，才能確保消息的準(zhǔn)確傳輸。同步過程CAN控制器通過接收總線上的同步信號來同步其時鐘，同步信號由發(fā)送節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時發(fā)出。CAN協(xié)議的物理層CAN總線采用雙絞線作為物理介質(zhì)，實現(xiàn)差分信號傳輸。雙絞線具有良好的抗干擾能力，并能有效抑制信號衰減。CAN總線的連接器類型多種多樣，常見的包括D型連接器、RJ45連接器等。不同的連接器類型滿足不同的應(yīng)用需求，并確保信號傳輸?shù)目煽啃?。CAN協(xié)議的收發(fā)器發(fā)射器將來自微控制器的CAN信號轉(zhuǎn)換為差分信號，并發(fā)送到總線。接收器從總線接收差分信號，并將其轉(zhuǎn)換為微控制器可識別的信號。收發(fā)器集成發(fā)射器和接收器，實現(xiàn)CAN總線上的信號收發(fā)?？偩€終端電阻1阻抗匹配終端電阻用于匹配CAN總線的特性阻抗，防止信號反射，確保信號完整性。2信號衰減電阻能有效衰減信號，防止信號在總線上過度傳播，避免干擾其他節(jié)點。3安裝位置終端電阻通常安裝在CAN總線的兩端，即網(wǎng)絡(luò)的起點和終點。4阻值選擇終端電阻的阻值應(yīng)與CAN總線的特性阻抗相匹配，通常為120歐姆。CAN總線的連接方式1總線型所有節(jié)點共用一條總線，所有節(jié)點都能接收到所有節(jié)點發(fā)送的報文。2星型所有節(jié)點通過一個中心節(jié)點連接到總線上，中心節(jié)點負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)報文。3樹型節(jié)點按層次結(jié)構(gòu)連接，節(jié)點之間通過分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?？偩€電壓和差分信號總線電壓差分信號通常為2.5VCAN總線使用差分信號傳輸數(shù)據(jù)電壓水平代表邏輯狀態(tài)兩個信號線上的電壓差值代表邏輯狀態(tài)易受噪聲干擾抗噪聲能力強(qiáng)信號衰減快信號衰減慢，傳輸距離遠(yuǎn)CAN通訊速率及其決定因素CAN總線的通訊速率是指數(shù)據(jù)在總線上傳輸?shù)乃俾?，通常以波特?bps)來衡量。CAN通訊速率受多種因素影響，包括：總線長度、節(jié)點數(shù)量、電纜類型、信號質(zhì)量和干擾程度。CAN協(xié)議的應(yīng)用領(lǐng)域汽車電子CAN協(xié)議是汽車電子領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，用于控制發(fā)動機(jī)、變速箱、車身電子系統(tǒng)等各種功能模塊。工業(yè)自動化CAN協(xié)議在工業(yè)自動化中也得到了廣泛應(yīng)用，例如控制電機(jī)、傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。醫(yī)療設(shè)備CAN協(xié)議在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域也有應(yīng)用，例如控制呼吸機(jī)、心電監(jiān)護(hù)儀等醫(yī)療設(shè)備，保障患者安全和治療效果。其他領(lǐng)域除了上述領(lǐng)域，CAN協(xié)議還在航空航天、電力電子、機(jī)器人等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。汽車電子中的CAN總線汽車電子控制系統(tǒng)通常包含多個電子控制單元(ECU)，例如發(fā)動機(jī)控制單元(ECU)、變速箱控制單元(TCU)、車身控制單元(BCM)和安全氣囊控制單元(SRS)。CAN總線作為汽車電子系統(tǒng)中主要的通信協(xié)議，負(fù)責(zé)ECU之間的通信，實現(xiàn)對車輛各個部件的協(xié)同控制。工業(yè)自動化中的CAN總線CAN總線在工業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。它能夠?qū)崿F(xiàn)實時控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備互聯(lián)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。例如，用于控制機(jī)器人、自動化生產(chǎn)線、PLC等設(shè)備。CAN總線具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、通信速率快等優(yōu)勢。它能夠滿足工業(yè)自動化環(huán)境的嚴(yán)格要求，并提高生產(chǎn)效率和可靠性。醫(yī)療設(shè)備中的CAN總線CAN總線在醫(yī)療設(shè)備中扮演著重要角色，例如在醫(yī)療影像設(shè)備、生命體征監(jiān)測儀、血液透析機(jī)等設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。CAN總線的高可靠性、實時性、低成本等優(yōu)勢使其成為醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)通信的首選協(xié)議之一，確保設(shè)備的安全性和可靠性。CAN協(xié)議的升級版本CANFD協(xié)議CANFD協(xié)議是CAN協(xié)議的升級版本，它保持了CAN協(xié)議的優(yōu)勢，并增加了數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)幀長度。更高的數(shù)據(jù)傳輸速率CANFD協(xié)議允許更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，可達(dá)8Mbps，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。更大的數(shù)據(jù)幀長度CANFD協(xié)議支持更大的數(shù)據(jù)幀長度，最高可達(dá)64字節(jié)，提高了數(shù)據(jù)傳輸容量。CANFD協(xié)議的特點更高的數(shù)據(jù)速率CANFD協(xié)議支持更高的數(shù)據(jù)速率，可以達(dá)到8Mbps，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。更大的數(shù)據(jù)容量CANFD協(xié)議增加了數(shù)據(jù)幀長度，可以傳輸更多的數(shù)據(jù)，滿足了日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求。向后兼容性CANFD協(xié)議與傳統(tǒng)的CAN協(xié)議保持向后兼容，可以與舊的設(shè)備共存。更好的性能CANFD協(xié)議提高了抗干擾能力，并減少了錯誤率，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。CANFD協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)CANFD協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)相似，但進(jìn)行了擴(kuò)展，以支持更高的數(shù)據(jù)速率和更大的數(shù)據(jù)負(fù)載。CANFD協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)主要包括以下部分：起始符仲裁域控制域數(shù)據(jù)域CRC校驗域ACK域結(jié)束符CANFD協(xié)議的優(yōu)勢更高的數(shù)據(jù)傳輸速率CANFD協(xié)議支持更高的數(shù)據(jù)速率，例如，高達(dá)8Mbps，而傳統(tǒng)的CAN協(xié)議通常限制在1Mbps以下。更大的數(shù)據(jù)負(fù)載CANFD協(xié)議可以傳輸更大的數(shù)據(jù)負(fù)載，支持最大64字節(jié)的數(shù)據(jù)幀，而傳統(tǒng)的CAN協(xié)議僅支持8字節(jié)的數(shù)據(jù)幀。更強(qiáng)的通信能力CANFD協(xié)議可以實現(xiàn)更高效的通信，支持更復(fù)雜的應(yīng)用，例如，支持更多傳感器和執(zhí)行器，以及更復(fù)雜的控制算法。CAN總線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建1節(jié)點定義定義每個節(jié)點的CANID、數(shù)據(jù)類型和發(fā)送接收數(shù)據(jù)2總線連接通過雙絞線將各個節(jié)點連接到CAN總線上3物理層配置設(shè)置總線類型、通訊速率和終端電阻4軟件配置配置CAN驅(qū)動程序和通信協(xié)議構(gòu)建CAN總線網(wǎng)絡(luò)需要遵循一定的步驟，首先需要定義每個節(jié)點的CANID、數(shù)據(jù)類型和發(fā)送接收數(shù)據(jù)。然后，將各個節(jié)點通過雙絞線連接到CAN總線上。接著，根據(jù)實際應(yīng)用場景，配置總線類型、通訊速率和終端電阻。最后，還需要配置CAN驅(qū)動程序和通信協(xié)議，以實現(xiàn)節(jié)點之間的通信。CAN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點配置節(jié)點地址分配每個節(jié)點在CAN網(wǎng)絡(luò)中具有唯一的地址，用于識別和區(qū)分不同的設(shè)備。數(shù)據(jù)幀格式每個節(jié)點發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)幀都遵循特定的格式，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。通信模式配置根據(jù)實際應(yīng)用需求，節(jié)點可以配置為發(fā)送、接收或雙向通信模式，實現(xiàn)不同功能的協(xié)作。錯誤處理機(jī)制節(jié)點具有錯誤檢測和處理機(jī)制，確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運行，并提供故障診斷和修復(fù)的能力。CAN網(wǎng)絡(luò)中的故障診斷11.錯誤幀檢測CAN控制器會檢測錯誤幀，如位錯誤、格式錯誤、校驗錯誤等，并記錄錯誤計數(shù)器。22.錯誤被動模式當(dāng)錯誤計數(shù)器超過一定閾值時，節(jié)點進(jìn)入被動模式，停止發(fā)送數(shù)據(jù)，并監(jiān)控總線。33.錯誤主動模式當(dāng)總線上出現(xiàn)錯誤時，節(jié)點進(jìn)入主動模式，發(fā)送錯誤幀，并嘗試恢復(fù)正常通信。44.故障隔離通過錯誤幀和錯誤計數(shù)器，可以識別故障節(jié)點并將其隔離，保證其他節(jié)點正常通信。CAN網(wǎng)絡(luò)的工程實踐硬件選擇選擇合適的CAN控制器、收發(fā)器和總線終端電阻，確保符合實際需求。根據(jù)應(yīng)用場景和通信速率選擇相應(yīng)的硬件，并進(jìn)行合理的配置。軟件開發(fā)利用CANAPI進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)