CAN總線概述和MVB總線

1、CAN總線概述1. CAN總線的產(chǎn)生與發(fā)展控制器局部網(wǎng)（CAN- CONTROLLER AREA NETWQRK BOSC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

2、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。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。現(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

3、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)。控制器局部網(wǎng)CAN （CONTROLLEAERANETWORKE是在這種背景下應(yīng)運而生的。由于CAN為愈來愈多不同領(lǐng)域采用和推廣，導致要求各種應(yīng)用領(lǐng)域通信報文的標準化。為此，1991 年 9 月 PHILIPS SEMICONDUCTORS丁并發(fā)布了 CAN技術(shù)規(guī)范（VERSION）。該技術(shù) 規(guī)范包括A和B兩部分。給出了曾在 CAN技術(shù)規(guī)范版本中定義的 CAN報文格式，而給出了標準的 和擴展的

4、兩種報文格式。此后， 1993年11月ISO正式頒布了道路交通運載工具 -數(shù)字信息交換-高速通信控制器局部網(wǎng)（ CAN國際標準（ISO11898）,為控制器局部網(wǎng)標準化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。2. CAN總線特點CAN總線是德國BOSC公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù) 據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1MBPS CAN總線通信接口中集成了CANB議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等 項工作。CANB議的一個最大特點是廢除了

5、傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成， 因此可以定義 211或229個不同的數(shù)據(jù)塊， 這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN越的特性、極高的可靠性和獨特的設(shè)計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越

6、受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。另外，CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主 次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標準化組織認證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC AT XT兼容機上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。3. CAN總線技術(shù)介紹 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

7、，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。總線讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖2所示，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

8、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。CANM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

9、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CANB議執(zhí)行非集中化總線控制，所有主要通信，包括總線讀?。ㄔS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。 CAN與其它通信方案的比較在實踐中，有兩種重要的總線分配方法：按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中，不管每個節(jié)點是否申請總線，都對每個節(jié)點按最大期間分配。由此，總線可被分配給每個站并且是唯一的站，而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。這將保證在總線存取時有 明確的總線分配。在第二種方法中，總線按傳送數(shù)據(jù)的基本要求分配給一個站，總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配（如:Ethernet

10、 CSMA/CD）。因此，當多個站同時請求總線存取時，總線將終止所有站的請求，這時將不會有任何一個站獲得總線分配。為了分配總線，多于一個總線存取是必要的。CA映現(xiàn)總線分配的方法，可保證當不同的站申請總線存取時 ，明確地進行總線分配。這種位 仲裁的方法可以解決當兩個站同時發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的碰撞問題。不同于Ethernet網(wǎng)絡(luò)的消息仲裁,CAN的非破壞性解決總線存取沖突的方法 ，確保在不傳送有用消息時總線不被占用。甚至當總 線在重負載情況下，以消息內(nèi)容為優(yōu)先的總線存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。雖然總線的傳輸能力不足，所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在CSMA心這樣的網(wǎng)絡(luò)中，如Etherne

11、t,系統(tǒng)往往由于過載而崩潰，而這種情況在 CAN中不會發(fā)生。CAN的報文格式在總線中傳送的報文，每幀由7部分組成，見圖3。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)?？刂茍霭俗R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) o數(shù)據(jù)場范圍為 08個字節(jié)，其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯

12、誤的循環(huán)冗余檢查(CRC) o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)。 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。CANB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。3.4.1 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

13、斷報文是否有錯。3.4.2 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。3.4.3 .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。CANB議也可通過位檢查的方法探測錯誤。3.4.4 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。3.4.5 位填充一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示，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

14、步，同步沿用位填充產(chǎn)生。 在五個生。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，這個填充位被自動丟掉。 例如,五個連續(xù)的低電平位后,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

15、站將導致所有數(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站失敗中區(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。3.4.6 CAN可靠性為防止汽車在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)交換錯誤而對司機造成危險，汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃宰銐蚋撸蛘邭埩粝聛淼臄?shù)據(jù)錯誤足夠低的話，這一目標不難實現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看 ，可靠性可以理解為，

16、對傳輸過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯誤的 識別能力。殘余數(shù)據(jù)錯誤的概率可以通過對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計測量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯誤概率必須非常小，使其在系統(tǒng)整個壽命周期內(nèi)，按平均統(tǒng)計時幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠?qū)?shù)據(jù)錯誤進行分類，并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘余錯誤概率，我們可將殘留錯誤的概率作為具有8090位的報文傳送時位錯誤概率的函數(shù)，并假定這個系統(tǒng)中有510個站，并且錯誤率為1/1000，那么最大位錯誤概率為 10 13數(shù)量級。例如，CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率最大為1Mbps,如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用 50%,那么對于一個工作壽

17、命 4000小時、平均報文長度為 80位的系統(tǒng)，所傳 送的數(shù)據(jù)總量為 9X1010O在系統(tǒng)運行壽命期內(nèi)，不可檢測的傳輸錯誤的統(tǒng)計平均小于10 2量級。換句話說，一個系統(tǒng)按每年 365天，每天工作8小時，每秒錯誤率為0. 7計算，那么按統(tǒng)計平 均，每1000年才會發(fā)生一個不可檢測的錯誤。4.應(yīng)用舉例某醫(yī)院現(xiàn)有5臺16T/H德國菲斯曼燃氣鍋爐，向洗衣房、制劑室、供應(yīng)室、生活用水、暖 氣等設(shè)施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然氣 1200萬m3,耗用20萬噸自來水。醫(yī)院采用接力 式方式供熱，對熱網(wǎng)進行地域性管理，分四大供熱區(qū)。其中冬季暖氣的用氣量很大，據(jù)此設(shè)計了基于CAN現(xiàn)場總線的分布式鍋爐蒸汽

18、熱網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：該樓宇自動化系統(tǒng)具有抗干擾能力強，現(xiàn)場組態(tài)容易，網(wǎng)絡(luò)化程度高，人機界面友好等特點。摘 要：介紹了 MVB總線的物理層、幀和報文的格式與時序，以及其在廣州地鐵 2號線、深圳地鐵1號線、上7S地鐵1號線延長線等車輛控制系統(tǒng)中的成功應(yīng)用。關(guān)鍵詞：地鐵 必生;多功能車輛總線（MVB）;幀；報文；自動控制地鐵2號線、深圳地鐵1號線、上海地鐵1號線延長線的列車均采用了符合IEC61375TCN標準的德國總線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由列車總線（WTB）和多功能車輛總線（MVB）兩部分組成，單元（整個列車6輛車為一個編組，3輛車為1個單元）內(nèi)用MVB總線連接，兩 個單元間用 WTB總線

19、連接，MVB總線實現(xiàn)車輛控制，WTB總線實現(xiàn)列車控制。1 MVB總線的物理層和鏈路層MVB總線模型是在開放系統(tǒng)互聯(lián) OSI模型的基礎(chǔ)上進行了簡化。OSI具有7層參考模型而MVB只有其中的物理層和鏈路層。物理層MVB總線的物理層有3種：1) ESD(電的短距離傳輸介質(zhì)),使用雙絞屏蔽線,按RS- 485標準，最多支持32個設(shè) 備，最大總線長度20 m。2) EMD(電的中距離傳輸介質(zhì))，使用雙絞屏蔽線，最多支持32個設(shè)備，最大總線長度200 m。允許使用變壓器連接。3) OGF(光纖媒介)，使用總線連接器，傳輸距離可達2 km。MVB總線系統(tǒng)是分級控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)備共分 5個級別，6種能力：1)

20、 1級設(shè)備具有的能力有設(shè)備狀態(tài)和過程數(shù)據(jù)。設(shè)備端口地址一般與設(shè)備地址一致。2) 2級設(shè)備具有的能力有設(shè)備狀態(tài) ，過程數(shù)據(jù)，信息數(shù)據(jù)，是智能設(shè)備可以通過總線配置 但不能編程。3) 3級設(shè)備具有的能力有設(shè)備狀態(tài)，過程數(shù)據(jù)，信息數(shù)據(jù)和用戶編程。4) 4級設(shè)備具有的能力有設(shè)備狀態(tài)、過程數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)和總線管理器。用戶編程具有可選性。5) 5級設(shè)備具有的能力有設(shè)備狀態(tài)、過程數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)、網(wǎng)關(guān)和總線管理器。具有總線管理器的網(wǎng)關(guān)能與各種總線同步。鏈路層數(shù)據(jù)1.2.1 幀和報文格式有效的幀格式見圖1研電平限電平y(tǒng)ij.Qjniiinii n finn nrninn n n nnnnlig至兼京祟 上菰驗二=

21、終逐印箝圖1有效的幀1）主幀格式：以主起動定界符開始，接著是16位報文數(shù)據(jù)，然后是8位校驗序列。4位F_code碼限制下面的12位并指示從幀大小,如圖2所示。1地 rTTsTTrn ，1 j_|ili 1 . 1 Ji 31 1 It .圖z主幀格式T不重要fit15（SD：2）從幀格式：以從起動定界符開始,接著是16, 32,64, 128或256位幀數(shù)據(jù),8位校驗序列在64位數(shù)據(jù)的每個字后或在16, 32 位數(shù)據(jù)后。幀文每 64位后就有一個校驗序列如圖3所示。局就阪據(jù)哈智致電圖4基本周期的4個階段r-基率固期.I叩）l-基本周蹣（tp jh事件階段L拈時防苣丁3）報文時序：主幀和響應(yīng)它的從

22、幀稱為一個報文。4）報文類型：過程數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)和監(jiān)管數(shù)據(jù)報文。1.2.2 數(shù)據(jù)分布媒介訪問是通過總線管理器實現(xiàn)的，周期循環(huán)?；局芷诜譃?4個階段：周期階段，監(jiān)管 階段，事件階段，警惕階段，見圖4。其中事件階段、監(jiān)管階段和警惕階段構(gòu)成臨時階段。MVB總線的數(shù)據(jù)分為過程數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)和監(jiān)管數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)分布為：過程數(shù)據(jù)為周期發(fā)布， 信息數(shù)據(jù)和監(jiān)管數(shù)據(jù)發(fā)布周期不固定。過程數(shù)據(jù)都是一些非常重要的數(shù)據(jù)，如牽引速度，加 速度的值等。2硬件及軟件簡介硬件系統(tǒng)硬件主要包括車輛控制器VTCJ總線連接器、輸入輸出單元、通訊連接器ComC人機顯示器MMI及相關(guān)子系統(tǒng)。車輛控制器VTCU即總線控制器，每個3節(jié)車單元

23、各一個，共由7塊板組成，自帶插槽和電源，是標準的模塊化 系統(tǒng)。車輛控制單元由網(wǎng)關(guān)（VTCU- GW）, VCUT,VCUA 及VTCU的電源組成。網(wǎng)關(guān)控制列車總線 （WTB）和車輛總線（MVB）,并在兩個總線系統(tǒng)間 轉(zhuǎn)換過程和信息數(shù)據(jù)。列車診斷板VCUT上有板載數(shù)據(jù)庫（ODBS）,可通過RS422接口控制人機界面。列車應(yīng)用程序板 VCUA里包含著列車和車輛的控制程序。VTCU的電源提供110V直流電源，并與供電系統(tǒng)的電勢隔離。充種*耳癡A 元A $KMm 1lllff源h具 曹設(shè)廉qAIAr isf 圖4系蛇君訊阿捽翩礪科HI總線連接器具有連接不同車輛總線的作用，同時也能起到信號放大的作用。輸入輸出單元由數(shù)字輸入輸出單元DX和模擬輸入輸出單元 AX組成。數(shù)字輸入輸出單元DX的數(shù)字數(shù)據(jù)I/O接口一般直接連到繼電器觸點上。每輛車都有很多 DX,每個DX都可以設(shè)置地址。電源電壓 DC48120 V,10位輸入，6位輸出。1位報警器輸出模擬輸入輸出單元AX有模擬數(shù)據(jù)I/O 接口，每個AX也有自己的地址；4位模擬輸入（10 V, 20 mA）;2位模擬輸出。只有非常少的幾處，如牽引力大小等使用模擬量。通訊連接器ComC主要用于沒有 MVB總線