CAN總線通信技術(shù).ppt

1、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，第五章，CAN總線通信技術(shù)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(shù)應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)是滿足這些要求的最佳途徑，并得到了廣泛的應(yīng)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(jī)管理系統(tǒng)、多功能數(shù)字儀表、主動懸架、導(dǎo)航系統(tǒng)、電子防盜系統(tǒng)、自動空調(diào)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(shí)現(xiàn)它們之間的互連和數(shù)據(jù)交換。隨著汽車電子技術(shù)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(fù)雜性越來越高，其可靠性將難以保證，故障率將增加，維護(hù)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(luò)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)多路傳輸。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用串行總線結(jié)構(gòu)，通過共享總線通道減少線束數(shù)量。除了總線拓?fù)渫?，車輛網(wǎng)絡(luò)還必須具有出色的抗干擾能力；較強(qiáng)的錯誤檢測和處理能力；滿足信息傳輸?shù)膶?shí)時性要求；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(jié)構(gòu)簡單，易于

3、配置。答，5，5 . 1 . 1 CAN發(fā)展概述。20世紀(jì)80年代，博世工程師開始研究汽車串行總線系統(tǒng)，因?yàn)楫?dāng)時沒有一種網(wǎng)絡(luò)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(xué)的教授也參與了這項(xiàng)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(dǎo)體公司推出了82C200。1993年，國際標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織11898發(fā)布。此后，CAN協(xié)議被廣泛應(yīng)用于各種自動控制領(lǐng)域。a，6，5 . 1 . 1 CAN發(fā)展概述。1992年，美國中央情報(bào)局(CIA)建立了用戶組織，隨后第一個CAN應(yīng)用層“CAL”建立。自19

4、94年以來，國際學(xué)術(shù)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(luò)建立了基于can的SAEJ1939標(biāo)準(zhǔn)。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(guān)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(diǎn)數(shù)量超過了1億。然而，基于CAN總線的汽車控制網(wǎng)絡(luò)仍然是各大公司的獨(dú)立系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)用層協(xié)議有兩種常見的應(yīng)用：DeviceNet(適用于工廠底層自動化)和CANopen(適用于機(jī)械控制的嵌入式應(yīng)用)。任何

5、組織或個人都可以從DeviceNet供應(yīng)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(quán)。自2002年DviceNet被確立為中國國家標(biāo)準(zhǔn)以來，已成功應(yīng)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(rèn)可。8、5.1.2 CAN性能特性，有特殊的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898。任何節(jié)點(diǎn)都可以隨時主動發(fā)送。通過標(biāo)識符將消息劃分為不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實(shí)時要求。帶h的消息通過過濾消息，可以實(shí)現(xiàn)多種傳輸模式，如點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)和全球廣播。最大速度可達(dá)1Mbps，最大速度可達(dá)10公里，節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110

6、個，標(biāo)識符幾乎是無限的。9 . 5 . 1 . 2 CAN具有幀結(jié)構(gòu)短、傳輸時間短、干擾概率低的特點(diǎn)，適用于工業(yè)環(huán)境。每一幀信息都采用了CRC校驗(yàn)等檢錯措施，數(shù)據(jù)誤碼率極低。通信介質(zhì)(雙絞線、同軸電纜或光纖)選擇靈活，出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤時自動關(guān)閉輸出，以免影響總線上其他節(jié)點(diǎn)的通信。性價比高，設(shè)備購買方便，節(jié)點(diǎn)價格低。開發(fā)技術(shù)易于掌握，可以充分利用現(xiàn)有的單片機(jī)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(qū)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(diǎn)之間的最大距離，A，12，5.2 CAN技術(shù)規(guī)范。1991年9月

7、，BOSCH公司發(fā)布了can技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)格式，2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展的消息格式。1993年11月，國際標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。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(yuǎn)程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可以請求另一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀用于仲裁。當(dāng)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(biāo)識符(仲裁區(qū))的過程中，每個發(fā)送器監(jiān)控總線上的當(dāng)前電平，并將其

8、與發(fā)送的電平進(jìn)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(diǎn)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(biāo)識符，顯式，隱式，丟失仲裁，節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)，位編碼/解碼位定時同步驅(qū)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(fù)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(zhǔn)響應(yīng)串并轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)5.2.3.1幀

9、格式和幀類型，標(biāo)準(zhǔn)幀11位標(biāo)識符擴(kuò)展幀29位標(biāo)識符幀類型數(shù)據(jù)幀，遠(yuǎn)程幀，錯誤幀和過載幀編碼規(guī)則1)比特填充：發(fā)射機(jī)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(bǔ)充比特。 (錯誤幀、過載幀和幀結(jié)束標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式。為了使設(shè)計(jì)簡單，標(biāo)準(zhǔn)格式可以部分?jǐn)U展，不一定完全擴(kuò)展。整個標(biāo)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(yàn)字段、幀間空間、數(shù)據(jù)幀、A、18、數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式、仲裁字段、控制字段、數(shù)據(jù)字段、11位標(biāo)識符、SOF、RTR

10、、IDE、r0、DLC、18位標(biāo)識符、r1、R0、SRR、A、19、數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)格式)由11位標(biāo)識符ID28 ID18和遠(yuǎn)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(kuò)展格式)由29位標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)格式的RTR位。集成開發(fā)環(huán)境=1(隱式)代表擴(kuò)展格式。集成開發(fā)環(huán)境位以擴(kuò)展格式位于仲裁字段中，以標(biāo)準(zhǔn)格式位于控制字段中。A，20，數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)字段由15位循環(huán)冗余校驗(yàn)序列和1位循環(huán)冗余校驗(yàn)分隔符組成。循環(huán)冗余校驗(yàn)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(yàn)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(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式，響應(yīng)字段為2位。在響應(yīng)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(yīng)分隔符是隱藏位(1)。幀結(jié)束：它由7個隱藏位組成，沒有位

12、填充。在7.2.3.3，需要遠(yuǎn)程幀中的數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送遠(yuǎn)程幀，并請求另一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。遠(yuǎn)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(biāo)記的疊加，第二個字段是錯誤定界符。有兩種錯誤標(biāo)志，主動錯誤標(biāo)志(6個顯式位)和被動錯誤標(biāo)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(biāo)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(biāo)志。多達(dá)12個主要位疊加在一起，錯誤標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)志(6個顯式位及其疊加)和過載定義符(8個隱式位)，導(dǎo)致發(fā)送過載標(biāo)志的情況：接收方需要延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀，在間歇字段的第一位或第二位檢測到與活動錯誤標(biāo)志形式相同的顯式位過載標(biāo)志。一個站點(diǎn)發(fā)送過載標(biāo)志，而其他站點(diǎn)發(fā)送過載標(biāo)志。重載限定符的形式與錯誤限定符相同。發(fā)送過載標(biāo)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(zhuǎn)，然后發(fā)送剩余的7

14、個隱式位。過載標(biāo)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(biāo)志的重疊，A，25，5.2.3.6幀間空間，用于數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)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(yuǎn)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(fù)間隙發(fā)送隱藏位，但是當(dāng)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(yīng)該填充位的位置。

15、循環(huán)冗余校驗(yàn)錯誤：計(jì)算結(jié)果與接收到的循環(huán)冗余校驗(yàn)不同：在固定位字段中出現(xiàn)非法位響應(yīng)錯誤：在響應(yīng)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(yàn)錯誤，錯誤標(biāo)志應(yīng)該在響應(yīng)限定符之后發(fā)送；如果檢測到其他錯誤，應(yīng)在下一位發(fā)送錯誤標(biāo)志。節(jié)點(diǎn)有三種故障狀態(tài)：錯誤主動、錯誤被動和總線關(guān)閉。在正常情況下，節(jié)點(diǎn)是“錯誤激活”站。當(dāng)這樣的站檢測到錯誤時，它們發(fā)送活動的錯誤標(biāo)志。當(dāng)這樣的站點(diǎn)檢測到錯誤時，它們只能發(fā)送被動錯誤標(biāo)志。當(dāng)有太多錯誤時，節(jié)點(diǎn)變?yōu)椤翱偩€關(guān)閉”。此時，節(jié)點(diǎn)不能對總線有任何影響(例如關(guān)閉輸出驅(qū)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(diǎn)

16、有兩個計(jì)數(shù)：發(fā)送錯誤計(jì)數(shù)和接收錯誤計(jì)數(shù)，根據(jù)以下規(guī)則計(jì)數(shù)：當(dāng)接收機(jī)檢測到錯誤時，接收錯誤計(jì)數(shù)器加1，接收機(jī)在發(fā)送錯誤標(biāo)志后的第一位檢測到一個顯式位，而當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)送錯誤標(biāo)志時，接收錯誤計(jì)數(shù)器加8。 發(fā)送錯誤計(jì)數(shù)器加8發(fā)出錯誤標(biāo)志或過載標(biāo)志，發(fā)送錯誤計(jì)數(shù)器加8，發(fā)送錯誤計(jì)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(jì)數(shù)器在消息成功接收后減少1，但是如果它是127，它被設(shè)置為發(fā)送錯誤計(jì)數(shù)器127或接收錯誤計(jì)數(shù)器127在119和127之間。 該節(jié)點(diǎn)被設(shè)置為“錯誤被動”狀態(tài)以發(fā)送錯誤計(jì)數(shù)器255，并且該節(jié)點(diǎn)被設(shè)置為“總線關(guān)閉”狀態(tài)。兩個計(jì)數(shù)器都小于或等于127。錯誤被動節(jié)點(diǎn)被

17、設(shè)置為錯誤主動節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)成為錯誤活動節(jié)點(diǎn)，兩個計(jì)數(shù)器清零。a、30、5.2.5位是定時和同步的。標(biāo)稱位時間分為：同步段同步段用于同步每個節(jié)點(diǎn)，傳播段用于補(bǔ)償正常情況下網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲。采樣點(diǎn)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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，