CAN總線通信技術.ppt

1、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，第五章，CAN總線通信技術概述5.1，CAN發(fā)展概述5.1.1現(xiàn)代社會對汽車的要求不斷提高，包括：極高的主動安全性和被動安全性；乘坐舒適；駕駛和使用方便、人性化；特別是低排放、低油耗的要求。將微處理器及其電子控制技術應用于汽車設計是滿足這些要求的最佳途徑，并得到了廣泛的應用。目前，這些系統(tǒng)包括：防抱死系統(tǒng)、制動力分配系統(tǒng)、發(fā)動機管理系統(tǒng)、多功能數(shù)字儀表、主動懸架、導航系統(tǒng)、電子防盜系統(tǒng)、自動空調和自動光盤播放器等。3，5 . 1 . 1 CAN發(fā)展概述。這些系統(tǒng)由多個電子控制單元連接而成，電子控制單元可分為控制器、傳感器、執(zhí)行器等。同時，各種系統(tǒng)相互連接，越來越多的數(shù)據(jù)交換正

2、在發(fā)生。因此，有必要使用大量的線束和連接器來實現(xiàn)它們之間的互連和數(shù)據(jù)交換。隨著汽車電子技術的不斷發(fā)展，這種需求的增長是驚人的(如圖)。1、4、5 . 1 . 1 CAN發(fā)展概況由于線束和連接器數(shù)量的增加，整車電子系統(tǒng)的復雜性越來越高，其可靠性將難以保證，故障率將增加，維護將更加困難。為了滿足汽車信息交流的快速增長，有必要使用車載網(wǎng)絡系統(tǒng)來實現(xiàn)多路傳輸。該網(wǎng)絡系統(tǒng)采用串行總線結構，通過共享總線通道減少線束數(shù)量。除了總線拓撲外，車輛網(wǎng)絡還必須具有出色的抗干擾能力；較強的錯誤檢測和處理能力；滿足信息傳輸?shù)膶崟r性要求；同時，它具有故障診斷和處理的能力。此外，考慮到成本因素，要求其控制接口結構簡單，易于

3、配置。答，5，5 . 1 . 1 CAN發(fā)展概述。20世紀80年代，博世工程師開始研究汽車串行總線系統(tǒng)，因為當時沒有一種網(wǎng)絡協(xié)議能夠完全滿足汽車工程的要求。梅賽德斯-奔馳、英特爾和兩所德國大學的教授也參與了這項研究。1986年，博世在汽車工程師協(xié)會會議上提出了CAN。1987年，英特爾推出了第一個CAN控制芯片82526；后來飛利浦半導體公司推出了82C200。1993年，國際標準國際標準化組織11898發(fā)布。此后，CAN協(xié)議被廣泛應用于各種自動控制領域。a，6，5 . 1 . 1 CAN發(fā)展概述。1992年，美國中央情報局(CIA)建立了用戶組織，隨后第一個CAN應用層“CAL”建立。自19

4、94年以來，國際學術年會一直在舉行。1994年，美國汽車工程師協(xié)會為卡車和公共汽車的控制和通信網(wǎng)絡建立了基于can的SAEJ1939標準。今天，幾乎所有歐洲生產(chǎn)的汽車都有CAN；高級總線上有兩套控制器局域網(wǎng)，通過網(wǎng)關互連；1999年，近6000萬控制器投入使用。2000年，它售出了1億多塊CAN芯片；2001年，汽車上使用的CAN節(jié)點數(shù)量超過了1億。然而，基于CAN總線的汽車控制網(wǎng)絡仍然是各大公司的獨立系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的標準。一、7、5.1.1現(xiàn)場總線的發(fā)展概況基于現(xiàn)場總線的應用層協(xié)議有兩種常見的應用：DeviceNet(適用于工廠底層自動化)和CANopen(適用于機械控制的嵌入式應用)。任何

5、組織或個人都可以從DeviceNet供應商協(xié)會(ODVA)獲得DeviceNet規(guī)范。購買者將獲得開發(fā)DeviceNet產(chǎn)品的無限和真正自由的授權。自2002年DviceNet被確立為中國國家標準以來，已成功應用于冶金、電力、水處理、乳品飲料、煙草、水泥、石化、礦山等行業(yè)，其低成本、高可靠性得到了廣泛認可。8、5.1.2 CAN性能特性，有特殊的國際標準ISO11898。任何節(jié)點都可以隨時主動發(fā)送。通過標識符將消息劃分為不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求。帶h的消息通過過濾消息，可以實現(xiàn)多種傳輸模式，如點對點、點對多點和全球廣播。最大速度可達1Mbps，最大速度可達10公里，節(jié)點數(shù)可達110

6、個，標識符幾乎是無限的。9 . 5 . 1 . 2 CAN具有幀結構短、傳輸時間短、干擾概率低的特點，適用于工業(yè)環(huán)境。每一幀信息都采用了CRC校驗等檢錯措施，數(shù)據(jù)誤碼率極低。通信介質(雙絞線、同軸電纜或光纖)選擇靈活，出現(xiàn)嚴重錯誤時自動關閉輸出，以免影響總線上其他節(jié)點的通信。性價比高，設備購買方便，節(jié)點價格低。開發(fā)技術易于掌握，可以充分利用現(xiàn)有的單片機開發(fā)工具。A，10，5.1.3位表示通信距離，“顯式”位0，“隱式”位1。如果總線上有兩個以上的驅動器同時分別發(fā)送“0”和“1”，總線值將顯式為“0”。A，11，CAN總線上兩個節(jié)點之間的最大距離，A，12，5.2 CAN技術規(guī)范。1991年9月

7、，BOSCH公司發(fā)布了can技術規(guī)范2.0，其中包括兩個部分：a和B.2.0A給出了CAN消息的標準格式，2.0B給出了標準和擴展的消息格式。1993年11月，國際標準化組織正式頒布為：道路車輛-數(shù)據(jù)信息交換-高速通信控制器局域網(wǎng)標準。2.0B與2.0a完全兼容。所以我們介紹2.0B，A，13，5.2.1基本概念，比特率在給定的CAN系統(tǒng)中，比特率是唯一且固定的。通過發(fā)送遠程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點可以請求另一個節(jié)點發(fā)送相應的數(shù)據(jù)幀用于仲裁。當總線打開時，任何單元都可以開始發(fā)送消息，并且使用非破壞性的逐位仲裁規(guī)則來解決潛在的沖突。在發(fā)送標識符(仲裁區(qū))的過程中，每個發(fā)送器監(jiān)控總線上的當前電平，并將其

8、與發(fā)送的電平進行比較。如果相等，它將繼續(xù)發(fā)送。如果一個隱藏位(1)被發(fā)送，而一個顯式位(0)被檢測到，節(jié)點將失去仲裁并立即停止發(fā)送后續(xù)位。仲裁面積最小的競爭對手將贏得仲裁。A，14，5.2.1逐位仲裁的基本概念標識符，顯式，隱式，丟失仲裁，節(jié)點1，節(jié)點2，線路上可見，A，15，5.2.2根據(jù)現(xiàn)場視察模型的分層結構，位編碼/解碼位定時同步驅動器接收器特性，邏輯鏈路子層LLC接收濾波器過載通知恢復管理，媒體訪問控制子層媒體訪問控制數(shù)據(jù)打包/解包幀編碼媒體訪問管理錯誤監(jiān)控錯誤校準響應串并轉換，數(shù)據(jù)鏈路層，物理層，故障定義，總線故障管理，監(jiān)視器， a，16，5.2.3消息傳輸及其幀結構5.2.3.1幀

9、格式和幀類型，標準幀11位標識符擴展幀29位標識符幀類型數(shù)據(jù)幀，遠程幀，錯誤幀和過載幀編碼規(guī)則1)比特填充：發(fā)射機監(jiān)控傳輸比特流，并自動為五個連續(xù)的相同比特插入一個補充比特。 (錯誤幀、過載幀和幀結束標志不執(zhí)行位填充)2)17，5.2.3.2數(shù)據(jù)幀由NRZ編碼，它由7個不同的字段組成。數(shù)據(jù)字段的長度可以是0can2.0b。有兩種幀格式：標準格式和擴展格式。為了使設計簡單，標準格式可以部分擴展，不一定完全擴展。整個標識符可用于消息過濾。仲裁字段、控制字段、數(shù)據(jù)字段、循環(huán)冗余校驗字段、幀間空間、數(shù)據(jù)幀、A、18、數(shù)據(jù)幀的標準格式和擴展格式、仲裁字段、控制字段、數(shù)據(jù)字段、11位標識符、SOF、RTR

10、、IDE、r0、DLC、18位標識符、r1、R0、SRR、A、19、數(shù)據(jù)幀的標準格式和擴展格式、幀的開始(SOF)僅由一個顯式位組成。所有站必須與第一次傳輸同步的幀前沿的仲裁字段(標準格式)由11位標識符ID28 ID18和遠程傳輸請求位RTR組成，其中ID的高7位不能全部為1(隱式)。仲裁字段(擴展格式)由29位標識符ID28 ID0、SRR位、ide位和RTR位組成。SRR是一個隱式位，它被用來代替標準格式的RTR位。集成開發(fā)環(huán)境=1(隱式)代表擴展格式。集成開發(fā)環(huán)境位以擴展格式位于仲裁字段中，以標準格式位于控制字段中。A，20，數(shù)據(jù)幀的標準格式和擴展格式，控制字段由6位組成，數(shù)據(jù)長度碼D

11、LC3DLC0表示數(shù)據(jù)字段的字節(jié)數(shù)，08。不允許使用其他值。保留位r1和r0必須為0，集成開發(fā)環(huán)境(標準格式)=0。數(shù)據(jù)字段：08字節(jié)，8位/字節(jié)。MSB第一個循環(huán)冗余校驗字段由15位循環(huán)冗余校驗序列和1位循環(huán)冗余校驗分隔符組成。循環(huán)冗余校驗限定符是一個隱式位。保留位、控制字段、數(shù)據(jù)字段或循環(huán)冗余校驗字段、數(shù)據(jù)長度代碼、仲裁字段、集成開發(fā)環(huán)境/R1、R0、DLC3、DLC2、DLC1、DLC 0、A、21、數(shù)據(jù)幀的標準格式和擴展格式，響應字段為2位。在響應間隔時間內(nèi)，發(fā)送器發(fā)送一個隱藏位；所有正確接收有效消息的接收器都發(fā)送一個指示位。響應分隔符是隱藏位(1)。幀結束：它由7個隱藏位組成，沒有位

12、填充。在7.2.3.3，需要遠程幀中的數(shù)據(jù)的節(jié)點可以發(fā)送遠程幀，并請求另一個節(jié)點發(fā)送相應的數(shù)據(jù)幀。遠程幀的RTR位是隱式的，它沒有數(shù)據(jù)字段，因此數(shù)據(jù)長度代碼沒有意義。A，22，5.2.3.4錯誤幀，錯誤幀由兩個不同的字段組成，第一個字段是不同站提供的錯誤標記的疊加，第二個字段是錯誤定界符。有兩種錯誤標志，主動錯誤標志(6個顯式位)和被動錯誤標志(6個隱式位)。檢測到錯誤狀態(tài)的“錯誤激活”站發(fā)送激活的錯誤標志，這樣所有其他站將檢測到錯誤狀態(tài)并開始發(fā)送錯誤標志。多達12個主要位疊加在一起，錯誤標志、錯誤分隔符、幀間間隔或過載幀、錯誤幀、數(shù)據(jù)幀、錯誤標志、A、23、5.2.3.4錯誤幀、檢測到的錯誤

13、條件。從那時起，我們等待6個具有相同極性的位。一旦我們等待，被動錯誤標志就完成了。錯誤限定符包括8個隱性位。在一個站發(fā)送一個錯誤標志后，它發(fā)送一個隱藏位并監(jiān)視總線，直到它找到一個隱藏位并發(fā)送剩余的7個隱藏位。A、24、5.2.3.5過載幀，包括兩個字段：過載標志(6個顯式位及其疊加)和過載定義符(8個隱式位)，導致發(fā)送過載標志的情況：接收方需要延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀，在間歇字段的第一位或第二位檢測到與活動錯誤標志形式相同的顯式位過載標志。一個站點發(fā)送過載標志，而其他站點發(fā)送過載標志。重載限定符的形式與錯誤限定符相同。發(fā)送過載標志后，站監(jiān)控總線，直到發(fā)現(xiàn)從顯式位到隱式位的跳轉，然后發(fā)送剩余的7

14、個隱式位。過載標志、過載定界符、幀間空間或過載幀、過載幀、幀尾或錯誤定界符或過載定界符、過載標志的重疊，A，25，5.2.3.6幀間空間，用于數(shù)據(jù)幀或遠程幀。但是，對于過載幀或錯誤幀，沒有幀間空間的間歇字段與前一幀分開，由三個隱藏位組成。不允許在間歇場期間開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀或遠程幀?？偩€空閑周期可以是任何長度。這時，公共汽車是開著的，任何車站都可以隨時發(fā)送。間歇字段、總線空閑、幀、幀間空間、A、26、5.2.4錯誤類型和定義、五種錯誤類型：位錯誤：發(fā)送器監(jiān)控總線位值與發(fā)送的位值不同。仲裁字段填充位和回復間隙發(fā)送隱藏位，但是當檢測到顯式位時，會出現(xiàn)異常填充錯誤：第六個相同的位出現(xiàn)在應該填充位的位置。

15、循環(huán)冗余校驗錯誤：計算結果與接收到的循環(huán)冗余校驗不同：在固定位字段中出現(xiàn)非法位響應錯誤：在響應間隙中，發(fā)送器沒有檢測到顯式位，A，27，5.2.4錯誤類型和定義，檢測到循環(huán)冗余校驗錯誤，錯誤標志應該在響應限定符之后發(fā)送；如果檢測到其他錯誤，應在下一位發(fā)送錯誤標志。節(jié)點有三種故障狀態(tài)：錯誤主動、錯誤被動和總線關閉。在正常情況下，節(jié)點是“錯誤激活”站。當這樣的站檢測到錯誤時，它們發(fā)送活動的錯誤標志。當這樣的站點檢測到錯誤時，它們只能發(fā)送被動錯誤標志。當有太多錯誤時，節(jié)點變?yōu)椤翱偩€關閉”。此時，節(jié)點不能對總線有任何影響(例如關閉輸出驅動器)。a，28 5.2.4錯誤類型和定義，為了定義故障，每個節(jié)點

16、有兩個計數(shù)：發(fā)送錯誤計數(shù)和接收錯誤計數(shù)，根據(jù)以下規(guī)則計數(shù)：當接收機檢測到錯誤時，接收錯誤計數(shù)器加1，接收機在發(fā)送錯誤標志后的第一位檢測到一個顯式位，而當發(fā)射機發(fā)送錯誤標志時，接收錯誤計數(shù)器加8。 發(fā)送錯誤計數(shù)器加8發(fā)出錯誤標志或過載標志，發(fā)送錯誤計數(shù)器加8，發(fā)送錯誤計數(shù)器減少1，A，29，5.2.4錯誤類型和定義在消息成功發(fā)送后，接收錯誤計數(shù)器在消息成功接收后減少1，但是如果它是127，它被設置為發(fā)送錯誤計數(shù)器127或接收錯誤計數(shù)器127在119和127之間。 該節(jié)點被設置為“錯誤被動”狀態(tài)以發(fā)送錯誤計數(shù)器255，并且該節(jié)點被設置為“總線關閉”狀態(tài)。兩個計數(shù)器都小于或等于127。錯誤被動節(jié)點被

17、設置為錯誤主動節(jié)點。在總線上檢測到11個連續(xù)的隱藏位128次后，總線閉合節(jié)點成為錯誤活動節(jié)點，兩個計數(shù)器清零。a、30、5.2.5位是定時和同步的。標稱位時間分為：同步段同步段用于同步每個節(jié)點，傳播段用于補償正常情況下網(wǎng)絡中的傳輸延遲。采樣點讀取的電平代表該位的電平，同步部分，4個時間份額，1個時間份額，1位時間=10個時間份額，傳播部分，1個時間份額，4個時間份額5.2.5位定時和同步，時間份額除以振蕩器周期。每個時間段的長度為：同步段1份額、傳播段18份額、相位緩沖段1和18份額、相位緩沖段2和最大值(相位緩沖段1，信息處理時間)，其中信息處理時間=2份額。一個位的總時間份額為825，可以編程。同步規(guī)則：當總線空閑時，只要檢測到隱性到顯性的邊緣，就會執(zhí)行硬同步(以此邊緣為同步段)；當總線不空閑時，如果邊沿落在同步段之外，將根據(jù)它與同步段的差異進行再同步：32，5.2.5位定時和同步；再同步情況：邊緣落在同步段之后，