《CAN硬件設計》課件

CAN總體介紹CAN協(xié)議是一種用于實時應用的串行通信協(xié)議，在汽車行業(yè)得到了廣泛應用。CAN協(xié)議的特點是可靠性高、抗干擾能力強、實時性強，非常適合在惡劣環(huán)境下使用。CAN總線結構CAN總線是一種基于事件觸發(fā)的廣播式通信系統(tǒng)，采用多主節(jié)點結構，節(jié)點之間通過共享總線進行數(shù)據(jù)交換。CAN總線通信協(xié)議定義了網(wǎng)絡中各節(jié)點之間的通信機制，包括數(shù)據(jù)幀格式、仲裁機制、錯誤檢測和糾正等，確保網(wǎng)絡中各節(jié)點能夠高效、可靠地進行通信。CAN物理層CAN物理層概述CAN物理層定義了CAN總線上的電氣特性，包括信號電壓、信號電平、傳輸介質和連接器等。它負責將數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送的比特流轉換為實際的電信號，并將其傳輸?shù)浇邮辗健AN數(shù)據(jù)鏈路層1幀格式處理數(shù)據(jù)鏈路層負責對CAN幀進行封裝和解析，確保數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中傳輸?shù)恼_性。2錯誤檢測和糾正通過校驗和、CRC等機制檢測錯誤，并采取相應的糾正措施，保證數(shù)據(jù)完整性。3仲裁機制采用優(yōu)先級仲裁機制，保證多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級高的節(jié)點能夠成功發(fā)送。4數(shù)據(jù)流控制通過數(shù)據(jù)流控制機制，協(xié)調網(wǎng)絡中不同節(jié)點之間的通信，避免數(shù)據(jù)沖突。CAN時序分析1位時間每個位時間包含4個時間段2同步段接收器同步到發(fā)送器3采樣點接收器判斷位狀態(tài)4回退段接收器重新同步CAN時序分析是CAN總線設計的關鍵，它影響著數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性。位時間包括同步段、采樣點和回退段等時間段，并決定了數(shù)據(jù)傳輸速率。接收器通過同步段同步到發(fā)送器，在采樣點判斷位狀態(tài)，回退段則用于接收器重新同步到發(fā)送器。合理設置時序參數(shù)可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和可靠性，提高CAN總線性能。CAN幀格式數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀用于傳輸應用程序數(shù)據(jù)，包含標識符、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)域和CRC校驗碼等信息。遠程幀遠程幀用于請求數(shù)據(jù)，包含標識符、數(shù)據(jù)長度等信息，用于從發(fā)送節(jié)點請求數(shù)據(jù)。錯誤幀錯誤幀用于指示總線上的錯誤，包含錯誤標志位，用于標識錯誤類型，例如位錯誤或幀錯誤。過載幀過載幀用于表示節(jié)點無法立即響應請求，包含標識符，用于表示發(fā)送節(jié)點需要時間處理請求。CAN仲裁機制優(yōu)先級CAN總線上每個節(jié)點都有一個唯一的標識符（ID），ID較小的節(jié)點具有更高的優(yōu)先級。競爭當多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，擁有最高優(yōu)先級的節(jié)點將獲得總線的控制權。仲裁過程節(jié)點通過比較ID來確定優(yōu)先級，優(yōu)先級高的節(jié)點將發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN錯誤檢測和糾正CRC校驗每個CAN幀包含一個循環(huán)冗余校驗碼（CRC），用于檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生的錯誤。錯誤幀當檢測到錯誤時，接收節(jié)點會發(fā)送一個錯誤幀，通知其他節(jié)點發(fā)生錯誤，并可能觸發(fā)重傳。錯誤計數(shù)器節(jié)點會跟蹤錯誤計數(shù)器，如果錯誤超過一定閾值，則會進入錯誤被動狀態(tài)。錯誤恢復機制錯誤恢復機制允許節(jié)點在一定時間后恢復正常操作，但需要滿足一定條件。CAN總線故障診斷故障指示燈CAN總線故障時，儀表盤上會出現(xiàn)故障指示燈，提示駕駛員檢查車輛系統(tǒng)。診斷工具使用專門的診斷工具可以讀取CAN總線上的錯誤代碼，幫助診斷和解決故障。電路板檢查檢查CAN總線連接器、線纜和電路板是否存在物理損壞或短路。數(shù)據(jù)分析分析CAN總線數(shù)據(jù)，識別故障模式和原因，制定修復方案。CAN網(wǎng)絡拓撲CAN網(wǎng)絡拓撲是指CAN節(jié)點在網(wǎng)絡中的連接方式，它決定了網(wǎng)絡的性能和可靠性。常見拓撲結構包括總線型、星型、樹型和混合型，設計時應根據(jù)實際應用需求選擇合適的拓撲結構?？偩€型結構簡單易實現(xiàn)，但抗干擾能力較差；星型結構抗干擾能力強，但成本較高；樹型結構可擴展性好，但設計復雜；混合型結構可根據(jù)實際需求進行組合。CAN收發(fā)器選型通信速率選擇與應用場景所需的通信速率相匹配的收發(fā)器。高性能收發(fā)器支持更高的通信速率。工作電壓根據(jù)應用場景的工作電壓選擇合適的收發(fā)器。收發(fā)器的工作電壓應與系統(tǒng)電壓一致。工作溫度考慮應用場景的工作溫度，選擇能夠在目標溫度范圍內正常工作的收發(fā)器。引腳數(shù)量根據(jù)應用場景的引腳需求選擇合適的收發(fā)器。例如，需要額外功能的收發(fā)器可能具有更多引腳。CAN隔離設計電氣隔離隔離CAN總線，防止干擾信號進入主控系統(tǒng)。信號傳輸通過光耦、磁隔離等隔離方式實現(xiàn)信號傳輸。安全性隔離CAN總線，提高系統(tǒng)安全性，防止外部干擾影響主控系統(tǒng)。CAN總線終端電阻作用終端電阻位于總線兩端，用于吸收信號反射，提高信號傳輸質量，防止信號失真和反射造成數(shù)據(jù)錯誤。阻值終端電阻阻值通常為120Ω，符合CAN協(xié)議標準，可以有效地匹配總線特性阻抗，降低信號反射。CAN總線連接器1類型常見的CAN連接器類型包括D-SUB、RJ45、XHP、M12等，選型需考慮信號傳輸要求、環(huán)境因素和成本因素。2防護等級連接器的防護等級根據(jù)工作環(huán)境要求選擇，例如IP67等級適用于惡劣環(huán)境下的應用。3可靠性選擇可靠性高的連接器，確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，避免連接故障導致系統(tǒng)問題。4信號匹配確保連接器信號匹配，避免信號反射和干擾，影響數(shù)據(jù)傳輸質量。CAN布線設計1信號完整性阻抗匹配，避免反射2抗干擾屏蔽線，濾波器3布局短線，遠離干擾源4走線單點接地，電源線平行CAN布線設計是確保CAN總線正常工作的重要環(huán)節(jié)。需要考慮信號完整性、抗干擾性、布局合理性、走線規(guī)范等因素。通過合理設計，確保CAN總線信號傳輸質量，提高系統(tǒng)可靠性。CAN抗干擾措施電磁屏蔽通過金屬外殼或屏蔽層隔離外部電磁干擾，例如使用屏蔽線或屏蔽接地。濾波器使用濾波器抑制特定頻率的干擾信號，例如使用LC濾波器或RC濾波器。合理布線避免將CAN線路與高噪聲線路平行布線，并盡量減少線路長度，減少干擾機會。接地處理使用良好接地系統(tǒng)，確保信號接地和電源接地之間的良好連接，降低接地回路產(chǎn)生的干擾。CANEMC設計電磁兼容性(EMC)CAN總線在工作時會產(chǎn)生電磁干擾，也會受到外部電磁干擾的影響。因此，需要進行EMC設計，以確保CAN系統(tǒng)的正常運行。EMC測試CAN系統(tǒng)的EMC測試包括傳導發(fā)射測試、輻射發(fā)射測試、傳導抗擾度測試、輻射抗擾度測試等。EMC設計措施EMC設計措施包括合理布線、屏蔽、濾波、接地等，以減少電磁干擾。EMC認證CAN產(chǎn)品需要通過EMC認證，以確保其符合相關標準。CAN省電設計低功耗芯片選擇低功耗的微控制器和外設，例如CAN收發(fā)器，降低功耗。休眠模式在不使用時，讓CAN控制器進入低功耗休眠模式，減少功耗。定時喚醒使用定時器，在需要傳輸數(shù)據(jù)時喚醒CAN控制器，避免長時間處于高功耗狀態(tài)。電源管理設計合理的電源管理電路，使用高效的電源轉換器，降低功耗。CAN硬件電路設計11.微控制器選擇根據(jù)應用需求，選擇合適的微控制器，例如支持CAN總線的STM32或PIC系列微控制器。22.CAN收發(fā)器選擇選擇合適的CAN收發(fā)器，例如TJA1050或SN65HVD230，確保其符合CAN總線標準和應用環(huán)境要求。33.電路設計根據(jù)CAN總線標準，設計相應的電路，包括CAN總線接口電路、電源電路和濾波電路。44.硬件測試完成硬件電路設計后，進行硬件測試，驗證電路功能，確保其符合設計要求。CAN測試驗證1功能測試驗證CAN網(wǎng)絡功能是否正常，包括數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、幀格式、仲裁機制等。2性能測試測試CAN網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速率、延遲、吞吐量等性能指標，評估其性能是否滿足應用需求。3環(huán)境測試模擬實際使用環(huán)境，測試CAN網(wǎng)絡在高溫、低溫、濕度、振動等環(huán)境下的工作穩(wěn)定性。4兼容性測試驗證CAN網(wǎng)絡與其他系統(tǒng)或設備的兼容性，確保其能夠與其他系統(tǒng)或設備正常通信。5可靠性測試評估CAN網(wǎng)絡在長時間連續(xù)工作或異常情況下是否能夠保持可靠性。CAN功能安全設計安全分析分析潛在的安全隱患，例如數(shù)據(jù)丟失、錯誤控制等。容錯設計設計冗余機制，確保系統(tǒng)在部分組件故障情況下仍然可以正常運行。認證標準符合相關功能安全標準，例如ISO26262、IEC61508等。CAN產(chǎn)品認證要求功能安全認證CAN產(chǎn)品通常需要滿足功能安全標準，例如ISO26262或IEC61508，以確保其在安全關鍵應用中的可靠性。電磁兼容性認證CAN產(chǎn)品需要通過電磁兼容性(EMC)測試，以確保其在電磁環(huán)境中正常運行，不會對其他設備產(chǎn)生干擾。環(huán)境認證CAN產(chǎn)品可能需要通過環(huán)境認證，例如高溫、低溫、振動和沖擊測試，以確保其在各種環(huán)境條件下能夠可靠地工作。其他認證根據(jù)應用領域和客戶需求，CAN產(chǎn)品可能還需要通過其他認證，例如汽車行業(yè)中的ISO9001質量管理體系認證。CAN硬件原理圖設計CAN硬件原理圖設計是整個硬件開發(fā)流程的重要環(huán)節(jié)，是將硬件設計方案具體化，形成可供參考和制造的文檔。原理圖設計需要遵循一定的規(guī)范和標準，并與實際硬件電路相對應。原理圖設計完成后需要進行審核和驗證，確保其準確性和可行性。CAN硬件布局設計CAN硬件布局設計是一個重要的步驟，直接影響著CAN網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性。合理的設計可以有效降低信號干擾，提高抗噪聲能力。布局設計需要綜合考慮以下因素。元器件的排列信號走線電源和地線電磁兼容性CAN硬件PCB設計CAN硬件PCB設計是CAN系統(tǒng)硬件設計的重要環(huán)節(jié)，直接影響系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。PCB設計需要考慮以下因素：信號完整性、電源完整性、EMC性能、熱性能以及可制造性。PCB設計流程包括原理圖設計、PCB布局布線、PCB制造、PCB測試等。在PCB設計過程中，需要充分利用EDA工具進行仿真和分析，確保最終設計的PCB能夠滿足CAN系統(tǒng)對性能、可靠性和EMC的要求。CAN硬件驗證測試功能測試驗證CAN硬件是否符合預期功能，包括數(shù)據(jù)收發(fā)、協(xié)議解析、錯誤處理等。性能測試測試CAN硬件的傳輸速率、延遲、吞吐量等性能指標，確保其滿足系統(tǒng)要求。環(huán)境測試模擬實際應用環(huán)境，測試CAN硬件在高溫、低溫、振動、沖擊等條件下的可靠性。兼容性測試測試CAN硬件與其他設備的兼容性，確保其能夠與系統(tǒng)中的其他模塊正常通信。安全測試測試CAN硬件的安全性，確保其能夠抵御外部攻擊，防止數(shù)據(jù)泄露或篡改。CAN硬件生產(chǎn)制造元器件采購選擇優(yōu)質的元器件，確保質量和可靠性，包括CAN收發(fā)器、微控制器、電阻、電容等。PCB制造根據(jù)設計好的PCB圖紙，進行PCB板的生產(chǎn)制造，確保線路板的質量和性能。元器件焊接將采購的元器件焊接在PCB板上，進行貼片或插件焊接，確保焊接質量和可靠性。功能測試對組裝好的CAN硬件進行功能測試，確保硬件功能符合設計要求和規(guī)范。包裝和運輸將測試合格的CAN硬件進行包裝，并運送到客戶手中，確保產(chǎn)品安全運輸。CAN硬件可靠性設計環(huán)境適應性確保CAN硬件能夠在各種惡劣環(huán)境下可靠運行。例如，極端溫度，濕度，震動和電磁干擾等。組件選型選擇高品質，經(jīng)過嚴格篩選和測試的組件，例如高可靠性的芯片，電容和電阻等，以確保電路的穩(wěn)定性和可靠性。測試驗證進行嚴格的可靠性測試，例如高低溫測試，振動測試，鹽霧測試和電磁兼容測試，以驗證硬件的可靠性和穩(wěn)定性。生產(chǎn)工藝采用高質量的生產(chǎn)工藝，例如SMT貼片工藝，波峰焊工藝和組裝工藝等，以確保硬件的可靠性和一致性。CAN硬件量產(chǎn)階段批量生產(chǎn)根據(jù)設計規(guī)范和生產(chǎn)計劃，進行大規(guī)模生產(chǎn)。質量控制嚴格執(zhí)行質量檢測流程，確保產(chǎn)品質量穩(wěn)定。包裝與物流對產(chǎn)品進行包裝，并安排物流配送。CAN硬件維護保養(yǎng)定期