CAN總線綜述報(bào)告

目錄TOC\o"1-3"\p""\h\z\uCAN現(xiàn)場(chǎng)總線綜述報(bào)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(bào)文格式-4-4.3數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè)-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(cuò)誤-5-4.3.4總線檢測(cè)-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(diǎn)-8-6.2CAN總線的優(yōu)點(diǎn)總線的優(yōu)點(diǎn)總線的優(yōu)點(diǎn)總線的優(yōu)點(diǎn)-8-CAN現(xiàn)場(chǎng)總線綜述報(bào)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(jī)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(dòng)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(guó)迅速普及推廣。隨著計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最具活力的一個(gè)分支，并取得了巨大進(jìn)步。由于對(duì)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(fù)載分散、功能分散、危險(xiǎn)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(jī)為核心，將5C技術(shù)--COMPUTER（計(jì)算機(jī)技術(shù)）、CONTROL（自動(dòng)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(kuò)展性、可維護(hù)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(jì)算機(jī)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(chǎng)設(shè)備、接口與計(jì)算設(shè)備以及通信設(shè)備組成?，F(xiàn)場(chǎng)總線（FIELDBUS）能同時(shí)滿足過程控制和制造業(yè)自動(dòng)化的需要，因而現(xiàn)場(chǎng)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(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)。盡管目前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的研究尚未能提出一個(gè)完善的標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)場(chǎng)總線的高性能價(jià)格比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。同時(shí)，正由于現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)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(jí)的分布實(shí)時(shí)控制。CAN的應(yīng)用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價(jià)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(dòng)機(jī)控制單元、傳感器、防剎車系統(tǒng)、等等，其傳輸速度可達(dá)1Mbit/s。同時(shí)，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(gè)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(dá)到設(shè)計(jì)透明度以及實(shí)現(xiàn)靈活性，根據(jù)ISO/OSI參考模型，CAN2.0規(guī)范細(xì)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(cuò)誤監(jiān)測(cè)出錯(cuò)標(biāo)定應(yīng)答串并轉(zhuǎn)換位編碼/解碼位定時(shí)同步驅(qū)動(dòng)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(bào)文的優(yōu)先權(quán)?保證延遲時(shí)間?設(shè)置靈活?時(shí)間同步的多點(diǎn)接收?系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的連貫性?多主機(jī)?錯(cuò)誤檢測(cè)和錯(cuò)誤標(biāo)定?只要總線一處于空閑，就自動(dòng)將破壞的報(bào)文重新傳輸?將節(jié)點(diǎn)的暫時(shí)性錯(cuò)誤和永久性錯(cuò)誤區(qū)分開來，并且可以自動(dòng)關(guān)閉由OSI參考模型分層CAN結(jié)構(gòu)的錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)。4.CAN總線技術(shù)介紹4.1位仲裁要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(gè)站同時(shí)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，要求快速地進(jìn)行總線分配。實(shí)時(shí)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(gè)快速變化的物理量，如汽車引擎負(fù)載，將比類似汽車引擎溫度這樣相對(duì)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(shí)。CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，報(bào)文的優(yōu)先級(jí)結(jié)合在11位標(biāo)識(shí)符中，具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識(shí)符有最高的優(yōu)先級(jí)。這種優(yōu)先級(jí)一旦在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)，站1的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為011111；站2的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為0100110；站3的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為0100111。所有標(biāo)識(shí)符都有相同的兩位01，直到第3位進(jìn)行比較時(shí)，站1的報(bào)文被丟掉，因?yàn)樗牡?位為高，而其它兩個(gè)站的報(bào)文第3位為低。站2和站3報(bào)文的4、5、6位相同，直到第7位時(shí)，站3的報(bào)文才被丟失。注意，總線中的信號(hào)持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權(quán)的站的報(bào)文。在此例中，站2的報(bào)文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪一個(gè)站的報(bào)文被傳送以前，報(bào)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(bào)文的接收站，并且不會(huì)在總線再次空閑前發(fā)送報(bào)文。CAN具有較高的效率是因?yàn)榭偩€僅僅被那些請(qǐng)求總線懸而未決的站利用，這些請(qǐng)求是根據(jù)報(bào)文在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)有很多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榭偩€讀取的優(yōu)先級(jí)已被按順序放在每個(gè)報(bào)文中了，這可以保證在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中較低的個(gè)體隱伏時(shí)間。對(duì)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(shí)現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。4.2CAN的報(bào)文格式在總線中傳送的報(bào)文，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報(bào)文格式，其唯一的不同是標(biāo)識(shí)符(ID)長(zhǎng)度不同，標(biāo)準(zhǔn)格式為11位，擴(kuò)展格式為29位。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，報(bào)文的起始位稱為幀起始(SOF)，然后是由11位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位(RTR)組成的仲裁場(chǎng)。RTR位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀還是請(qǐng)求幀,在請(qǐng)求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。控制場(chǎng)包括標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位(IDE)，指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式。它還包括一個(gè)保留位(ro)，為將來擴(kuò)展使用。它的最后四個(gè)字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場(chǎng)中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度(DLC)。數(shù)據(jù)場(chǎng)范圍為0～8個(gè)字節(jié)，其后有一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余檢查(CRC)。應(yīng)答場(chǎng)(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(shí)正確接收?qǐng)?bào)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(gè)站能正確接收到報(bào)文。報(bào)文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報(bào)文間有一很短的間隔位，如果這時(shí)沒有站進(jìn)行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。4.3數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè)不同于其它總線，CAN協(xié)議不能使用應(yīng)答信息。事實(shí)上，它可以將發(fā)生的任何錯(cuò)誤用信號(hào)發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯(cuò)誤的方法，其中前三種為基于報(bào)文內(nèi)容檢查。4.3.1循環(huán)冗余檢查(CRC)在一幀報(bào)文中加入冗余檢查位可保證報(bào)文正確。接收站通過CRC可判斷報(bào)文是否有錯(cuò)。4.3.2幀檢查這種方法通過位場(chǎng)檢查幀的格式和大小來確定報(bào)文的正確性，用于檢查格式上的錯(cuò)誤。4.3.3應(yīng)答錯(cuò)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(rèn)。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(cuò)誤，也就是說，ACK場(chǎng)已損壞或網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文無站接收。CAN協(xié)議也可通過位檢查的方法探測(cè)錯(cuò)誤。4.3.4總線檢測(cè)有時(shí)，CAN中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)可監(jiān)測(cè)自己發(fā)出的信號(hào)。因此，發(fā)送報(bào)文的站可以觀測(cè)總線電平并探測(cè)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(bào)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(gè)連續(xù)相等位后，發(fā)送站自動(dòng)插入一個(gè)與之互補(bǔ)的補(bǔ)碼位；接收時(shí)，這個(gè)填充位會(huì)被自動(dòng)丟掉。例如，五個(gè)連續(xù)的低電平后，CAN自動(dòng)插入一個(gè)高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯(cuò)誤，如果在一幀報(bào)文中有6個(gè)相同位，CAN就知道發(fā)生了錯(cuò)誤。如果至少有一個(gè)站通過以上方法探測(cè)到一個(gè)或多個(gè)錯(cuò)誤，它將發(fā)送出錯(cuò)標(biāo)志終止當(dāng)前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯(cuò)誤的報(bào)文，并保證網(wǎng)絡(luò)上報(bào)文的一致性。當(dāng)大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后，發(fā)送站會(huì)自動(dòng)地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。作為規(guī)則，在探測(cè)到錯(cuò)誤后23個(gè)位周期內(nèi)重新開始發(fā)送。在特殊場(chǎng)合，系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間為31個(gè)位周期。但這種方法存在一個(gè)問題，即一個(gè)發(fā)生錯(cuò)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(cè)措施，總線系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)。為此，CAN協(xié)議提供一種將偶然錯(cuò)誤從永久錯(cuò)誤和局部失敗中區(qū)別出來的辦法。這種方法可以通過對(duì)出錯(cuò)站統(tǒng)計(jì)評(píng)估來確定一個(gè)站本身的錯(cuò)誤并進(jìn)入一種不會(huì)對(duì)其它站，產(chǎn)生不良影響的運(yùn)行方法來實(shí)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(cuò)誤地當(dāng)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(diǎn)使其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到迅速發(fā)展，這使得許多器件廠商競(jìng)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(duì)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(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，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(duì)于不同型號(hào)的CAN總線通信控制器，實(shí)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(duì)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(gè)獨(dú)立的CAN控制器，它在汽車和普通的工業(yè)應(yīng)用上有先進(jìn)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(hù)方面非常重要。SJA1000獨(dú)立的CAN控制器有2個(gè)不同的操作模式：1BasicCAN模式：和PCA82C200兼容。BasicCAN模式是上電后默認(rèn)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(qiáng)功能，使SJA1000能應(yīng)用于更寬的領(lǐng)域。工作模式通過時(shí)鐘分頻寄存器中的CAN模式位來選擇，復(fù)位時(shí)默認(rèn)模式是BasicCAN模式。發(fā)送緩沖區(qū)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(chǔ)一個(gè)完整的擴(kuò)展的或標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文。當(dāng)主控制器初始發(fā)送時(shí)，接口管理邏輯會(huì)使CAN核心模塊從發(fā)送緩沖器讀CAN報(bào)文。驗(yàn)收濾波器：通過這個(gè)可編程的濾波器能確定主控制器要接收哪些報(bào)文。接收FIFO：用于存儲(chǔ)所有收到的報(bào)文，儲(chǔ)存報(bào)文的多少由工作模式?jīng)Q定，最多能存儲(chǔ)32個(gè)報(bào)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(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。又稱為總線驅(qū)動(dòng)器。符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，最高速率1Mbps；抗汽車環(huán)境瞬間干擾，具有保護(hù)總線能力；斜率控制，降低射頻干擾RFI；熱保護(hù)以及電源和地短路保護(hù)；低電流待機(jī)模式；未上電的節(jié)點(diǎn)對(duì)總線無影響；可連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)；工作溫度-40～+125℃內(nèi)部具有限流電路，可防止發(fā)送輸出級(jí)對(duì)電源、地或負(fù)載短路。雖然短路出現(xiàn)時(shí)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(diǎn)1.廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，可以多主方式工作；2、采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)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(gè)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時(shí)間短；4、每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕m于在高干擾環(huán)境下使用；5、節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一對(duì)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(diǎn)總線的優(yōu)點(diǎn)總線的優(yōu)點(diǎn)總線的優(yōu)點(diǎn)1、具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)；2、采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，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(gè)控制模塊通過CAN控制器掛到CA