CAN現(xiàn)場總線技術(shù)

1、CANCAN現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線技術(shù)CAN總線總線通信技通信技術(shù)術(shù)1 1.1 .1 概述概述現(xiàn)代社會(huì)對汽車的要求不斷提高主要包括：極高的主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性；乘坐的舒適性；駕駛與使用的便捷和人性化；尤其是低排放和低油耗的要求等。在汽車設(shè)計(jì)中運(yùn)用微處理器及其電控技術(shù)是滿足這些要求的最好方法，并且已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用。主要包括：ABS（防抱系統(tǒng)）；EBD（制動(dòng)力分配系統(tǒng)）；EMS（發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)）；多功能數(shù)字化儀表；主動(dòng)懸架；導(dǎo)航系統(tǒng)；電子防盜系統(tǒng)；自動(dòng)空調(diào)；CAN總線總線通信技通信技術(shù)術(shù)這些系統(tǒng)由多個(gè)電控單元相互連接而成，可分為控制器、傳感器、執(zhí)行器等。同時(shí)各個(gè)系統(tǒng)之間也互相連接，進(jìn)行著越來越

2、多的數(shù)據(jù)交換。這樣就需要使用大量的線束和插接器來實(shí)現(xiàn)互連，進(jìn)行它們之間的數(shù)據(jù)交換。由于線束和插接器的數(shù)量不斷增加，整車電子系統(tǒng)的復(fù)雜程度愈來愈高，其可靠性將難以保證，故障率會(huì)提高，維修會(huì)更加困難。為了滿足汽車內(nèi)部信息交換量急劇增加的要求，有必要使用一種實(shí)現(xiàn)多路傳輸方式的車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用串行總線結(jié)構(gòu)，通過總線信道共享，減少線束的數(shù)量。 車載網(wǎng)絡(luò)除了要求采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式外，必須具有極好的抗干擾能力；極強(qiáng)的差錯(cuò)檢測和處理能力；滿足信息傳輸實(shí)時(shí)性要求；同時(shí)具備故障的診斷和處理能力等。另外考慮到成本因素，要求其控制接口結(jié)構(gòu)簡單，易于配置。 CAN總線總線通信技通信技術(shù)術(shù)1 1.2 .2

3、發(fā)展概況發(fā)展概況20世紀(jì)80年代，Bosch公司、 Mercedes-Benz公司、Intel公司，以及德國兩所大學(xué)的工程人員開始研究用于汽車的串行總線系統(tǒng)。1986年，Bosch在SAE（汽車工程人員協(xié)會(huì)）大會(huì)上提出了CAN總線1987年， Intel就推出了第一片CAN控制芯片82526；隨后Philips半導(dǎo)體推出了82C200。1993年，CAN的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898公布，從此CAN 協(xié)議被廣泛的用于各類自動(dòng)化控制領(lǐng)域。1994年，SAE以CAN為基礎(chǔ)制定了SAEJ1939標(biāo)準(zhǔn)，用于卡車和巴士控制和通信網(wǎng)絡(luò)。1992年，CIA（CAN in Automation）用戶組織成立，并制

4、定了第一個(gè)CAN應(yīng)用層“CAL”。 基于CAN的應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)用較廣的有：DeviceNet（適合于工廠底層自動(dòng)化）和 CANopen（適合于機(jī)械控制的嵌入式應(yīng)用）。2002年，DeviceNet被確立為中國國家標(biāo)準(zhǔn)，并在冶金、電力、水處理、煙草、水泥、石化、礦山等各個(gè)行業(yè)得到成功應(yīng)用。 1 1.3 CAN.3 CAN的性能特點(diǎn)的性能特點(diǎn)有專門的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898；節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)，任一節(jié)點(diǎn)可在任一時(shí)刻主動(dòng)發(fā)送；報(bào)文以標(biāo)識(shí)符分為不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)性要求；非破壞性總線仲裁技術(shù)，大大節(jié)省了總線沖突的仲裁時(shí)間；通過對報(bào)文濾波可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)和全局廣播等傳送方式；短幀結(jié)構(gòu)，傳

5、輸時(shí)間短，受干擾概率低，適于工業(yè)環(huán)境；每幀信息都采用CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低；通信介質(zhì)選擇靈活（雙絞線、同軸電纜或光纖）；速率最高可達(dá)1Mbps，最遠(yuǎn)可達(dá)10km；錯(cuò)誤嚴(yán)重情況下自動(dòng)關(guān)閉輸出，保證不影響總線上其他節(jié)點(diǎn)通信；性價(jià)比高，器件容易購置，節(jié)點(diǎn)價(jià)格低；CAN總線總線通信技通信技術(shù)術(shù) 2.1 2.1 位速率位速率 VCAN-H VCAN-L 隱隱性性位位 隱隱性性位位 顯顯性性位位 速率kbps1000500250125100距離 m40130270530620速率kbps5020105距離 m13003300670010000CAN總線總線基本概念基本概念“顯性”位0和“

6、隱性”位1 2.2 2.2 標(biāo)識(shí)符的逐位仲裁標(biāo)識(shí)符的逐位仲裁“顯性”位0和“隱性”位1；01Arbi t rati on LostM odul e 1M odul e 2Bus Line“顯性”位0和“隱性”位1CAN總線總線基本概念基本概念 CAN總線總線基本概念基本概念2.3 CAN2.3 CAN的分層結(jié)構(gòu)的分層結(jié)構(gòu) 位編碼/解碼 位定時(shí) 同步 驅(qū)動(dòng)器接收器特性邏輯鏈路子層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(cuò)誤監(jiān)測 出錯(cuò)標(biāo)定 應(yīng)答 串并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)鏈路層物理層故障界定總線故障管理監(jiān)控器 CAN報(bào)報(bào)文文傳傳送及其送及其幀結(jié)幀結(jié)構(gòu)構(gòu)3

7、.1 3.1 幀格式和幀類型幀格式和幀類型標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)幀幀 11位標(biāo)識(shí)符擴(kuò)擴(kuò)展展幀幀 29位標(biāo)識(shí)符幀類幀類型型 數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和過載幀編碼規(guī)則編碼規(guī)則1）位填充：發(fā)送器監(jiān)視發(fā)送位流，連續(xù)5個(gè)相同位便自動(dòng)插入一個(gè)補(bǔ)碼位。（錯(cuò)誤幀和過載幀以及幀結(jié)束標(biāo)志不執(zhí)行位填充）2）采用不歸零（NRZ）編碼由7個(gè)不同的場組成 ，數(shù)據(jù)場長度可為0 。為了設(shè)計(jì)簡單，可以對標(biāo)準(zhǔn)格式執(zhí)行部分?jǐn)U展，不一定要完全擴(kuò)展可以用整個(gè)標(biāo)識(shí)符進(jìn)行報(bào)文濾波，也可以把標(biāo)識(shí)符屏蔽一部分進(jìn)行報(bào)文濾波 仲裁場控制場數(shù)據(jù)場CRC場幀間空間幀結(jié)束幀起始ACK場數(shù)據(jù)幀CAN報(bào)報(bào)文文傳傳送及其送及其幀結(jié)幀結(jié)構(gòu)構(gòu)3.1.1 CAN3.1.1 CAN

8、數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的場組成。數(shù)據(jù)場長度可為0CAN2.0B存在標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展兩種幀格式； CAN2.0A無擴(kuò)展幀定義；為了設(shè)計(jì)簡單，可以對標(biāo)準(zhǔn)格式執(zhí)行部分?jǐn)U展，不一定要完全擴(kuò)展；可整個(gè)標(biāo)識(shí)符進(jìn)行報(bào)文濾波，也可標(biāo)識(shí)符屏蔽一部分進(jìn)行報(bào)文濾波； CAN報(bào)報(bào)文文傳傳送及其送及其幀結(jié)幀結(jié)構(gòu)構(gòu)數(shù)據(jù)幀標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)幀擴(kuò)展格式仲裁場控制場數(shù)據(jù)場11位標(biāo)識(shí)符SOFRTRIDEr0DLC仲裁場控制場11位標(biāo)識(shí)符SOFRTRIDEDLC18位標(biāo)識(shí)符 r1 r0SRR CAN報(bào)報(bào)文文傳傳送及其送及其幀結(jié)幀結(jié)構(gòu)構(gòu)3.1.2 CAN3.1.2 CAN遠(yuǎn)程幀遠(yuǎn)程幀需要數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送遠(yuǎn)程幀請求另一節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)幀遠(yuǎn)程幀的

9、RTR位是隱性的，它沒有數(shù)據(jù)場，所以數(shù)據(jù)長度碼沒有意義。3.1.3 CAN3.1.3 CAN錯(cuò)誤幀錯(cuò)誤幀錯(cuò)誤幀由兩個(gè)不同的場組成，第一個(gè)場是不同站提供的錯(cuò)誤標(biāo)志的疊加，第二個(gè)場是錯(cuò)誤界定符。錯(cuò)誤標(biāo)志的重疊錯(cuò)誤界定符幀間空間或過載幀錯(cuò)誤幀數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤標(biāo)志 3.1.4 CAN3.1.4 CAN過載幀過載幀過載幀包括兩個(gè)場：過載標(biāo)志（6個(gè)顯位及其疊加）和過載界定符（8個(gè)隱位）導(dǎo)致發(fā)送過載標(biāo)志的條件：導(dǎo)致發(fā)送過載標(biāo)志的條件：接收器內(nèi)部要求延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀，在間歇場第一或第二位檢測到一個(gè)顯性位過載標(biāo)志過載標(biāo)志的形式與主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志一樣一個(gè)站發(fā)出過載標(biāo)志，其他站都將檢測到過載條件并發(fā)出過載標(biāo)志。過載界

10、定符過載界定符的形式與錯(cuò)誤界定符一樣。過載標(biāo)志發(fā)送后，站就監(jiān)視總線直到發(fā)現(xiàn)從顯位到隱位的跳變，然后發(fā)送其余7個(gè)隱性位。過載標(biāo)志的重疊過載界定符幀間空間或過載幀過載幀幀結(jié)束或錯(cuò)誤界定符或過載界定符過載標(biāo)志CAN報(bào)報(bào)文文傳傳送及其送及其幀結(jié)幀結(jié)構(gòu)構(gòu)CAN報(bào)報(bào)文文傳傳送及其送及其幀結(jié)幀結(jié)構(gòu)構(gòu)3.2 CAN3.2 CAN幀間空間幀間空間對于數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀，無論它前面是什么幀，都用幀間空間來分開；但是對于過載幀或錯(cuò)誤幀，沒有幀間空間與前面幀分開；間歇場由3個(gè)隱位組成。間歇場期間不允許啟動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀；總線空閑周期可為任意長度。此時(shí)，總線是開放的，任何站可隨時(shí)發(fā)送間歇場總線空閑幀幀間空間幀 5種錯(cuò)誤

11、類型： 位錯(cuò)誤：發(fā)送器監(jiān)視到總線位數(shù)值與發(fā)出的位數(shù)值不同；(注1) 填充錯(cuò)誤：應(yīng)該使用位填充的地方出現(xiàn)第6個(gè)相同位； CRC錯(cuò)誤：計(jì)算結(jié)果與收到的CRC不同；(注2) 形式錯(cuò)誤：固定形式的位場中出現(xiàn)非法位； 應(yīng)答錯(cuò)誤：在應(yīng)答間隙，發(fā)送器未檢測到顯位；3種故障狀態(tài)：錯(cuò)誤主動(dòng)；錯(cuò)誤被動(dòng)；總線關(guān)閉；CAN錯(cuò)誤類錯(cuò)誤類型和界定型和界定 CAN位定位定時(shí)時(shí)與同步與同步標(biāo)稱的位時(shí)間分為：同步段、傳播段、相位緩沖段1、相位緩沖段2；同步段用于同步各節(jié)點(diǎn)，正常情況下跳變沿落在此段內(nèi)；傳播段用于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的傳輸延時(shí)；采樣點(diǎn)時(shí)刻讀取的電平代表這個(gè)位的電平；時(shí)間份額由振蕩器周期分頻而得；同步段4時(shí)間份額1時(shí)間份額1

12、位時(shí)間=10時(shí)間份額傳播段1時(shí)間份額4時(shí)間份額相位緩沖段1相位緩沖段2采樣點(diǎn) CAN位定位定時(shí)時(shí)與同步與同步同步的規(guī)則：在總線空閑時(shí)，只要檢測到一個(gè)隱性到顯性的邊沿，就執(zhí)行一次硬同步（以該邊沿作為同步段）；在總線不空閑時(shí)，若邊沿落在同步段以外，則按其與同步段之差執(zhí)行再同步：邊沿落在同步段以后，則把所差份額加到相位緩沖段1 ：邊沿落在同步段以前，則從相位緩沖段2減去所差份額；由于位填充規(guī)則，所以可用于再同步的邊沿在一定時(shí)間內(nèi)總會(huì)出現(xiàn)。最大可能時(shí)間間隔是29個(gè)位；一個(gè)位時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一次同步，且一般只把隱性到顯性的邊沿用于同步； CAN控制器和收控制器和收發(fā)發(fā)器器4.1 CAN4.1 CAN控制器

13、的作用控制器的作用遵循CAN2.0規(guī)范，完成所規(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(jī)結(jié)構(gòu)分兩種類型，獨(dú)立IC或與單片機(jī)集成在一起，SJA1000屬于前者，屬于后者的有：PHILIPS的87C591、LPC2119，西門子的C167C，INTEL的80C196CA等4.2 4.2 控制器控制器SJA1000SJA1000主要特性主要特性支持CAN2.0A和CAN2.0B規(guī)范支持11位和29位標(biāo)識(shí)符64字節(jié)先進(jìn)先出(FIFO)接收緩沖器通信速率最高1MbpsCAN輸出驅(qū)動(dòng)器可配置擴(kuò)展的報(bào)文驗(yàn)收濾波器，可置成單濾波或雙濾波模式 4.2.1 SJA10004.2.1 SJA

14、1000在系統(tǒng)中的位置在系統(tǒng)中的位置傳感器執(zhí)行元件MMI模塊控制器CAN控制器CAN收發(fā)器TXRX傳感器執(zhí)行元件MMI微控制器SJA100082C250TXRXCAN總線分布模塊1分布模塊2CAN控制器和收控制器和收發(fā)發(fā)器器 發(fā)送緩沖區(qū)驗(yàn)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4.2.2 SJA10004.2.2 SJA1000的模塊結(jié)構(gòu)的模塊結(jié)構(gòu)CAN控制器和收控制器和收發(fā)發(fā)器器 4.2.3 SJA10004.2.3 SJA1000發(fā)送緩沖器的布局發(fā)送緩沖器的布局CAN地址內(nèi)容16TX幀信息17TX標(biāo)識(shí)碼118TX標(biāo)識(shí)碼219TX數(shù)據(jù)字

15、節(jié)120TX數(shù)據(jù)字節(jié)221TX數(shù)據(jù)字節(jié)322TX數(shù)據(jù)字節(jié)423TX數(shù)據(jù)字節(jié)524TX數(shù)據(jù)字節(jié)625TX數(shù)據(jù)字節(jié)726TX數(shù)據(jù)字節(jié)827未用28未用標(biāo)準(zhǔn)幀格式CAN地址內(nèi)容16TX幀信息17TX標(biāo)識(shí)碼118TX標(biāo)識(shí)碼219TX標(biāo)識(shí)碼320TX標(biāo)識(shí)碼421TX數(shù)據(jù)字節(jié)122TX數(shù)據(jù)字節(jié)223TX數(shù)據(jù)字節(jié)324TX數(shù)據(jù)字節(jié)425TX數(shù)據(jù)字節(jié)526TX數(shù)據(jù)字節(jié)627TX數(shù)據(jù)字節(jié)728TX數(shù)據(jù)字節(jié)8擴(kuò)展幀格式CAN控制器和收控制器和收發(fā)發(fā)器器 4.2.4 SJA10004.2.4 SJA1000接收緩沖器的布局接收緩沖器的布局地址內(nèi)容(標(biāo)準(zhǔn)幀)內(nèi)容(擴(kuò)展幀)16RX幀信息RX幀信息17RX標(biāo)識(shí)碼1RX標(biāo)

16、識(shí)碼118RX標(biāo)識(shí)碼2RX標(biāo)識(shí)碼219RX數(shù)據(jù)字節(jié)1RX標(biāo)識(shí)碼320RX數(shù)據(jù)字節(jié)2RX標(biāo)識(shí)碼421RX數(shù)據(jù)字節(jié)3RX數(shù)據(jù)字節(jié)122RX數(shù)據(jù)字節(jié)4RX數(shù)據(jù)字節(jié)223RX數(shù)據(jù)字節(jié)5RX數(shù)據(jù)字節(jié)324RX數(shù)據(jù)字節(jié)6RX數(shù)據(jù)字節(jié)425RX數(shù)據(jù)字節(jié)7RX數(shù)據(jù)字節(jié)526RX數(shù)據(jù)字節(jié)8RX數(shù)據(jù)字節(jié)627RX數(shù)據(jù)字節(jié)728RX數(shù)據(jù)字節(jié)8CAN控制器和收控制器和收發(fā)發(fā)器器 4.2.5 4.2.5 接收標(biāo)準(zhǔn)幀報(bào)文的單濾波器配置接收標(biāo)準(zhǔn)幀報(bào)文的單濾波器配置標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)字節(jié)12CAN控制器和收控制器和收發(fā)發(fā)器器 4.2.6 4.2.6 接收擴(kuò)展幀報(bào)文的單濾波器配置接收擴(kuò)展幀報(bào)文的單濾波器配置29位標(biāo)識(shí)符CAN控制器和收控制器和收發(fā)發(fā)器器 4.2.7 4.2.7 接收標(biāo)準(zhǔn)幀報(bào)文的雙濾波器配置接收標(biāo)準(zhǔn)幀報(bào)文的雙濾波器配置CAN控制器和收控制器和收發(fā)發(fā)器器 4.2.8 4.2.8 接收擴(kuò)展幀報(bào)文的雙濾波器配置接收擴(kuò)展幀報(bào)文的雙濾波器配置CAN控制器和收控