CAN现场总线的概念及其相关协议.ppt

第2章 CAN现场总线的概念及其 相关协议 nCAN总线的概念 nCAN特点 nCAN的分层结构和通信协议 nCAN报文的帧结构 n位定时与位同步 nCAN位仲裁技术 nCAN的报文滤波技术 n有关CAN总线的通信错误及其处理 CAN总线的概念 nCAN（Controller Area Network）即控制器局域网，可以归属于 工业现场总线的范畴，是目前国际上应用最广泛的开放式现场总 线之一。 n与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、 实时性和灵活性，它在汽车领域上的应用最为广泛，世界上一些 著名的汽车制造厂商，如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、volkswagen ( 大众)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执 行机构间的数据通信。 n由于CAN总线的特点，其应用范围目前已不仅局限于汽车行业，已 经在自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机 械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域中 得到了广泛应用。 CAN总线的概念 nCAN 最初出现在汽车工业中，80年代由德国Bosch公司 最先提出。最初动机是为了解决现代汽车中庞大的电 子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。 n由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到 人们的重视。随着应用领域的增多，CAN的规范从CAN 1.2 规范(标准格式)发展为兼容CAN 1.2 规范的 CAN2.0规范(CAN2.0A为标准格式，CAN2.0B为扩展格式 )，目前应用的CAN器件大多符合CAN2.0规范。 基本术语 n报文 总线上的报文以不同的固定报文格式发送，但长度受限。当总线空闲 时任何连接的单元都可以开始发送新的报文。 n信息路由：不使用系统结构的任何信息 n系统灵活性：节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件和 硬件的情况下，被接于CAN网络 n报文通信：一个报文的内容由其标识符ID命名 n成组：采用报文滤波，所有节点均接收报文。 n数据相容性：可以确保报文同时被所有节点或者没有节点接收。 基本术语 n3位速率 不同的系统，CAN 的速度不同。在一个给定的系 统里，位速率是唯一的，并且是固定的。 n4优先权 在总线访问期间，识别符定义一个静态的报文优 先权。 n5远程数据请求 通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求另一 节点发送相应的数据帧。数据帧和相应的远程帧是由 相同的识别符命名的。 基本术语 n6仲裁 只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文。具有较高优 先权报文的单元可以获得总线访问权。如果2个或2个以上的单元 同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。 仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当具有相同识别符 的数据帧和远程帧同时初始化时，数据帧优先于远程帧。仲裁期 间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比 较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送。如果发送的是一“ 隐性”电平而监视的是一“显性”电平（见总线值），那么单元就失 去了仲裁，必须退出发送状态。 基本术语 n 7错误检测 为了获得最安全的数据发送，CAN 的每一个节点 均采取了强有力的措施以便于错误检测、错误标定及 错误自检。 要进行检测错误，必须采取以下措施： 监视（发送器对发送位的电平与被监控的总线电平进 行比较） 循环冗余检查 位填充 报文格式检查 错误检测的执行 基本术语 n8故障界定 CAN 节点能够把永久故障和短暂扰动区别开来。故障的节点会被关闭。 n9总线值 CAN总线具有两种逻辑状态，隐性和显性。显性表示逻辑”0”,隐性表示逻 辑”1”。显性状态下，VCAN-H和VCAN-L两者差分电压大于2V。隐性状态下，VCAN -H和VCAN-L两者电压差为0。 “显性”位和“隐性”位同时传送时，总线的结果 值为“显性”。比如，在总线的“写与”执行时，逻辑0代表“显性”等级，逻辑 1代表“隐性”等级。 n 10应答 所有的接收器检查报文的连贯性。对于连贯的报文，接收器应答，对于不 连贯的报文，接收器作出标志。 CAN的特点 n通信方式灵活，为多主方式工作 nCAN网络上的节点信息分成不同优先级，满足不同实时 要求 n非破坏性的总线仲裁 n只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全 局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度 ”。 n直接通信距离最远可达10km（速率5kbps以下）；通信 速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）。 CAN的特点 n节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；报 文标识符可达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（ CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制 n采用短帧结构。每一帧的有效字节数为8个，传输时间 短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 n每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据 出错率极低 CAN的特点 n通信介质可为双绞线，同轴电缆或光纤，选择灵活。 nCAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能 ，以使总线上其他节点的操作不受影响，具有较强的 抗干扰能力 CAN的分层结构 数据链路层 MAC 数据链路层 数据链路层 数据链路层 数据封装/拆装 帧编码（填充/解除） LLC 接收滤波 超载通知 恢复管理 媒体访问管理 串行化/解除串行化 物理层 PLS 位编码/解码 位定时 同步 错误监测 出错标定 应答 PMA 驱动器/接收器特性 MDI 连接器 监控器 故障界定 总线故障管理 CAN的分层结构和功能 LLC功能：为数据传送和远程 数据请求提供服务，确认有LLC子层 接收报文实际已被接收和为恢复管 理和通知超载提供信息 MAC子层的功能：传送规则， 亦即控制帧结构，执行仲裁，错误 检测，出错标定和故障界定。 物理层功能：定义信号怎样 进行发送，涉及位定时、位编码和 同步描述 CAN的通信协议 n总线访问 n仲裁 n编码/解码 n出错标注 n超载标注 CAN报文的帧结构 n报文传输由4个不同类型的帧表示和控制： n数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器。总线上 传输的大多是这个帧。 n远程帧：由总线单元发出，请求发送具有同一识别符 的数据帧。数据帧（或远程帧）通过帧间空间与其他 各帧分开。 n错误帧：任何单元一但检测到总线错误就发出错误帧 。 n过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远 程帧）之间提供一附加的延时。 数据帧 n数据帧由7个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场 、CRC 场、应答场、帧结尾。数据场的长度可以为0。CAN 2.0A数 据帧的组成 数据帧 n 帧起始 帧起始（SOF）标志数据帧和远程帧的起 始，仅由一个“显性”位组成。只在总线空闲时才允 许站开始发送。所有站必须同步于首先开始发送报文 的站的帧起始前沿。 n 仲裁场 仲裁场包括识别符和远程发送请求位（ RTR ） 标准格式数据帧与扩展格式数据帧的仲裁场 识别符 n标准格式识别符的长度为11位，相当于扩展格式的基本ID（Base ID）。这些位按ID-28到ID-18的顺序发送。最低位是ID-18。7个 最高位（ID-28-ID-22）必须不能全是“隐性”。 n 扩展格式识别符和标准格式形成对比，数据帧与扩展格式数据 帧的仲裁场比较，扩展格式由29位组成。其格式包含两个部分： 11位基本ID、18位扩展ID。基本ID包括11位，它按ID-28到ID-18 的顺序发送。它相当于标准识别符的格式。基本ID定义扩展帧的 基本优先权。扩展ID：扩展ID包括18位。它按ID-17到ID-0顺序发 送。 n标准帧里，识别符其后是RTR位。RTR的全称为“远程发送请求位 （Remote Transmission Request BIT）”。 识别符 nSRR是一隐性位。它在扩展格式的标准帧RTR位位置， 因此代替标准帧的RTR位。 因此，标准帧与扩展帧的 冲突是通过标准帧优先于扩展帧这一途径得以解决的 ，扩展帧的基本ID如同标准帧的识别符。 nIDE的全称是“识别符扩展位（Identifier Extension Bit）”标准格式里的IDE位为“显性”，而扩展格式 里的IDE位为“隐性”。 控制场 n控制场由6个位组成 数据长度代码表 数据字节 数 数据长度代码 DLC DLC DLC DLC0 0dddd 1dddr 2ddrd 3ddrr 4drdd 5drdr 6drrd 7drrr 8rddd 数据帧 nCRC场 n应答场 n帧结束：每个数据帧和远程帧均由7个隐位组 成标志序列界定 远程帧 n通过发送远程帧，作为某数据接收器的站可以初始化 通过其资源节点传送不同的数据。 n远程帧也有标准格式和扩展格式，而且都由帧起始、 仲裁场、控制场、CRC 场、应答场、帧结尾等6个不同 的位场组成 远程帧 n与数据帧相反，远程帧的RTR位是“隐性”的。它没有 数据场，数据长度代码的数值是不受制约的（可以标 注为容许范围里0.8的任何数值）。此数值是相应于 数据帧的数据长度代码。 n RTR位的极性表示了所发送的帧是一数据帧（RTR位“ 显性”）还是一远程帧（RTR“隐性”）。 错误帧 n错误帧由两个不同的场组成。第一个场用是不同站提 供的错误标志（ERROR FLAG）的叠加。第二个场是错 误界定符。检测到任何一个节点出错，即于下一位开 始发送错误帧，通知发送端停止发送。 超载帧 过载帧包括两个位场：过载标志和过载界定符，当某 接收因内部原因要求缓发下一个数据帧或远程帧时， 向总线发出超载帧。 位定时与位同步 CAN总线的数据传输速率最高可达1Mbit/s ，通常用石英晶振作为时钟发生器，可以独立 进行位定时的参数设置，这样即使网络中节点 之间的时钟周期不一样仍可获得相同的位速率 。但网络中晶振的频率不是绝对稳定的，温度 、电压以及器件的异常都会导致微小的差别， 但只要将其稳定在振荡器容差范围之内，总线 上的节点会通过重同步进行弥补。 基本概念 n标称位速率 n理想的发送器在没有重新同步的情况下每秒发送的 位数量 n正常位时间 nCAN总线的一个位时间可以分成四个部分：同步段 ，传播时间段，相位段缓冲1和相位段缓冲2 基本概念 n同步段 n同步段用于同步总线上的各个节点,在此段内期望有一个跳变 沿出现。如果跳变沿出现在同步段之外，那么沿与同步段之 间的长度叫做沿相位误差。采样点位于相位缓冲段1的末尾和 相位缓冲段2开始处。 n传播时间段 n传播时间段用于补偿总线上信号传播时间和电子控 制设备内部的延迟时间。因此，要实现与位流发送 节点的同步，接收节点必须移相。 基本概念 n采样点 n采样点是读总线电平并解释各位的值的一个 时间点。采集点位于相位缓冲段1（ PHASE_SEG1）之后 n信息处理时间 n信息处理时间是一个以采样点作为起始的时 间段。采集点用于计算后续位的位电平 基本概念 n时间份额 n时间份额是派生于振荡器周期的固定时间单元。存 在有一个可编程的预比例因子，其整体数值范围为 132 的整数，以最小时间份额为起点，时间份额 的长度为： n时间份额（TIME QUANTUM） m * 最小时间份额 （MINIMUM TIME QUANTUM）（m 为预比例因子） 基本概念 参数 范围 说明 分频值 1.32 规定时间 份额的长度 同步段 1tq 固定长度，同步总线节 点 传播时间 段 1.8tq 补偿总线 物理延迟时间 相位缓冲段1 1.8tq 重同步时可以暂时 延长 相位缓冲段2 1.8tq 重同步时可以暂时缩 短 同步跳转宽 度 1.4tq 长度小于相位缓冲段 位时间的参数 时间段的长度 基本概念 n 硬同步 n硬同步只在总线空闲时通过一个下降沿（帧起始）来完成， 此时不管有没有相位误差，所有节点的位时间重新开始。强 迫引起硬同步的跳变沿位于重新开始的位时间的同步段之内 。 n 重同步 n在消息帧的随后位中，每当有从“隐性位”到“显性位 ”的跳变，并且该跳变落在了同步段之外，就会引起 一次重同步。重同步机制可以根据跳变沿增长或者 缩短位时间以调整采样点的位置，保证正确采样。 同步规则 n1. 在一个位时间里只允许一个同步。 n2. 仅当采集点之前探测到的值与紧跟沿之后的总线值 不相符合时，才把沿用作于同步。 n3. 总线空闲期间，有一“隐性”转变到“显性”的沿，无论 何时，硬同步都会被执行。 n4. 如果仅仅是将“隐性”转化为“显性”的沿用作于重新同 步使用，则其他符合规则1 和规则2 的所有从“隐性”转 化为“显性”的沿可以用作为重新同步。有一例外情况 ，即，当发送一显性位的节点不执行重新同步而导致 一“隐性”转化为“显性” 沿，此沿具有正的相位误差， 不能作为重新同步使用。 相位缓冲段和同步 n同步跳转宽度规定了重同步发生时采样点在相位缓冲段内移动的 距离。相位缓冲段和同步跳转宽度用来补偿振荡器容差，发生重 同步时相位缓冲段会被加长或缩短。当总线发生从隐性到显性跳 变时，会产生同步，其作用是控制沿与采样点之间的距离。总线 节点在每个时间份额都会采样总线，并与前一次采样值进行比较 ，如果前一次采样值是隐性而当前的采样值是显性，那么总线节 点就会发生一次同步。如果跳变沿出现在同步段的前面，沿相位 错误就是负的，反之就是正的。 n在帧起始时，总线会进行一次硬同步。硬同步后,位时间由每个位 定时逻辑单元在同步段之后重新启动，强迫引起硬同步的边沿处 于重新启动位时间的同步段内。 CAN的位仲裁技术 n要对数据进行实时处理，就必须将数据快速传 送，这就要求数据的物理传输通路有较高的速 度。在几个站同时需要发送数据时，要求快速 地进行总线分配。 nCAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的 优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制 数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦 在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线 读取中的冲突可通过位仲裁解决。 CAN的位仲裁技术 n只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文。如果2 个或2 个以上的单元同时开始传送报文，那么就会有 总线访问冲突。通过使用识别符的位形式仲裁可以解 决这个冲突。仲裁的机制确保信息和时间均不会损失 。当具有相同识别符的数据帧和远程帧同时初始化时 ，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都 对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果 电平相同，则这个单元可以继续发送。如果发送的是 一“隐性”电平而监控视到一“显性”电平（见总线值）， 那么该单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。 CAN的位仲裁技术 站3报文 站1报文 站2报文 01111110000 报文标识 符 01001100000 010011100001 丢掉 01001100000 010011100001 01001100000 丢掉 跟踪 所有标识符都有相同的两位01，直到第3位进行比较时，站1的报文被丢 掉，因为它的第3位为高，而其它两个站的报文第3位为低。站2和站3报文的4 、5、6位相同，直到第7位时，站3的报文才被丢失。 CAN的位仲裁技术 n缺点 n由于CAN总线采用的是固定优先级，当所有的节点 都随机的向总线发送数据时，具有低优先级的节点 是比具有高优先级的节点具有较大的发送失败几率 。 n每次具有较低优先级的节点都会在总线竞争中失败 ，从而导致它一个数据都发不出去，或者发送的数 据有较大的延时 CAN报文滤波技术 n用途 n在CAN总线中，存在多种传送和接收数据的 方式，比如点对点、一点对多点及全局广播 等几种方式。这几种方式的选择和转换就是 通过CAN总线中的报文滤波技术实现的，无 需专门的调度 CAN报文滤波技术 n原理 n在验收滤波器的帮助下，CAN控制器允许RXFIFO只 接收同识别码和验收滤波器中预设值相一致的信息 。只有当接收信息中的识别位和滤波器中预定义的 值相等时，CAN控制器才允许将已接收的信息存入 到RXFIFO 单滤波技术 单滤波是指只有一个由4 个验收码寄存器和4 个验收屏蔽寄存器组成的验收 滤波器总线上的信息只有通过了它的验收滤波才予以接收 无论是单滤波还是双滤波ACR 和AMR 都是配合在一起工作，所有AMR 为0 的位，ACR 和CAN 信息帧的对应位必须相同才算验收通过。所有AMR 为1 的位 ACR 对应位的验收滤波功能则予以屏蔽CAN 信息帧的相关位与验收结果无关 双滤波技术 双滤波比单滤波 要复杂一些，4 个ACR 和4 个AMR 在双滤波方式下 共构成两个滤波 器接收的信息帧 通过任意一 个滤波器即可予 以接收 错误检测 n位错误 n站单元在发送位的同时也对总线进行监视。如果所 发送的位值与所监视的位值不相符合，则在此位时 间里检测到一个位错误（BIT ERROR）。但是在仲 裁场（ARBITRATION FIELD）的填充位流期间或 ACK间隙（ACK SLOT）发送一“隐性”位的情况是例 外的 此时，当监视到一“显性”位时，不会发出 位错误（BIT ERROR）。当发送器发送一个被动错 误标志但检测到“显性”位时，也不视为位错误 错误检测 n填充错误 n如果在使用位填充法进行编码的信息中，出 现了第6 个连续相同的位电平时，将检测到 一个填充错误。 nCRC错误 nCRC 序列包括发送器的CRC 计算结果。接 收器计算CRC 的方法与发送器相同。如果计 算结果与接收到CRC 序列的结果不相符，则 检测到一个CRC 错误（CRC ERROR） 错误检测 n形式错误 n当一个固定形式的位场含有1 个或多个非法 位，则检测到一个形式错误 n应答错误 n只要在ACK 间隙（ACK SLOT）期间所监视 的位不为“显性”，则发送器会检测到一个应 答错误 错误标定 n检测到错误条件的站通过发送错误标志指示错 误。对于“错误主动”的节点，错误信息为“主动 错误标志”，对于“错误被动”的节点，错误信息 为“被动错误标志”。站检测到无论是位错误、 填充错误、形式错误，还是应答错误，这个站 会在下一位时发出错误标志信息。 n只要检测到的错误的条件是CRC 错误，错误标 志的发送开始于ACK 界定符之后的位（其他的 错误条件除外）。 故障界定 n错误激活状态 n可以正常地参与总线通讯并在错误被检测到时发出 主动错误标志 n错误认可状态 n不允许发送主动错误标志。参与总线通讯而且在错