（微电子学与固体电子学专业论文）基于windowsce的cfcan卡检测系统设计与实现.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 随着中国汽车产业的迅猛发展，汽车电子产业已显示了蓬勃的生机和广阔的市场前景。实现整 车同一总线的内部互连、实现所有的汽车器件网络化是汽车电子未来发展的趋势。c a n 总线以其极 高的可靠性、较低的成本、良好的开放性、简单的连接方式在汽车电子产品中得到了最广泛的应用， 同时在其他领域中c a n 总线的应用也日益增加；另一方面汽车控制产品的高度电子化和智能化以及 人们对服务要求的提高给汽车维护和检修提出了更高要求。因此非常有必要研制开发基于c a n 总线 的总线检测设备和系统诊断装置，通过该装置完成c a n 总线通信性能的检测、各控制模块中数据采 集和分析、控制数据的发送、汽车系统的维护诊断功能等。作为应用于汽车的电子产品要求该检 测系统必须具备高性能、高可靠性，同时也需要系统便于携带。 另外，基于w i n d o w s c e 操作系统的掌上电脑以其良好的人机界面、优秀的开发环境、很好的便 携性在数据检测和处理设备中得到了很好的应用。 本课题的主要工作就是在基于w i n d o w s c e 开发环境下，设计和制作应用于汽车电子产品的维护 和诊断设备一c f c a n 。该设备通过c a n 总线与汽车各电子装置相连，实现与各智能模块间的数据 采集、命令发送、状态检测等，为汽车维护和诊断提供可靠、实时的数据。装置通过p o c k e t p c 上 c f 卡设备实现c a n 总线和有关开关量、模拟量的数据输入连接，实现c a n 总线数据的收发和有 关数据的采集，并对数据进行必要的分析。 由于c a n 通信速度、采样实时性的要求，以及c f 卡规范关于功耗和卡体面积的限制使彳导c f 卡设备的设计成为本课题的难点。另外c f 卡的驱动程序基于嵌入式操作系统w i n d o w s c e ，其体系 架构、编程思想与传统的w i n d o w s 应用程序编程有较大的区别，因此探索、学习和掌握w i n d o w s c e 系统驱动的编程方法也是本课题的重要内容。 论文第一章介绍了c a n 总线的基本原理，第二章在介绍w i n d o w s c e 驱动原理的基础上提出了 了c f 卡驱动程序的实现方法。第三章针对c f - c a n 总线检测系统功能和性能的要求，考虑到该测 控系统对实时性、可靠性和通讯性能的严格要求，提出了该检测系统的实现方案和软硬件架构体系。 第四章在考虑到c f 卡功耗和面积的限制基础上提出了具体的硬件实现，并且根据系统功能和性能 的要求详细论述了c f - c a n 的应用程序、驱动程序、c f 卡软件各部分的具体实现。第五章介绍了对 该方案所做的测试和评估。可以证明c f - c a n 总线检测设备符合系统设计要求，具有很高的可靠性 和通讯性能。 基于w i n d o w s c e 平台的c f c a n 实现使得基于c a n 总线的检测更加智能化、便携化、快速化。 该装置的应用对提高汽车的维护和诊断水平有重要意义。该装置也可应用于大量采用c a n 总线的医 疗设备、电力设备、建筑机械等的维护和诊断。 c f _ c a n 项目作为p 0 c k e t p c 和c a n 技术的紧密结合，就国内而言，目前尚未有同类产品。 关键词：c a n 总线，w i n d o w s c e ，c f 卡，检测系统 a b s t r a c t w i c ht h ed e v e l o p 1 e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yo fc h i n a ，a u t o m o b i l ee l e c t r o n k si n d u s t f yh a s e n t e r e dt l l ep h a s ef e a t u r e db yr a p i d l yg r o w i n gd e m a n d t h em a r k e tt r e n do fv e h i c l es y s t e m sh a ss e e na n i n c r e a s i n gs h i f t i nc o n i c a t i o ns y s t e m sf r o mc o n v e n n o n a ls 甜a l c o m m u n i c a t i o nt oh i 曲s p e e d ， h i g h r e l i a b i l i t vb u sc o m m u n i c a d o n t h ec a n ( c o n t o l l e ra r e an e t w o f k ) p r o t o c o l i sab u ss t a n d a r dm a i n l y u s e df o rc o m m u n i c a t i o nb e t w e e na u t o m o t i v eu n i t s ，h a sb e e nw i d e l yu s e da s 山ed ef a c t o s t a l l d a f d c o m u n i c a t i o np r o t o c o lf o ra u t o m o b i l e si n 山ew o f l d o w i n gt oi t sh i g h r e l l a b i i “y ，l o w - c o s ta n dh i 曲 e m c i e n cv c a na r ea l s oe x t e n s i v e l vu s e di nf l e i d so t h e rt h a l la u t o m o b i l e s o nt h eo t h e rh a n d ，m a i n t e n a n c e a 1 1 dd i a 2 n o s t i c a t i o nf o rv e h i c l es y s t e ms h o u l db ei m p r o v e dt oah i g h e rl e v e l t om e e tt h ed e m a n d so fp e o p l e w i t hm em o r ee l e c t r o n i ci n t e l l 堙e n t i z a t i o ni na u t o m o b i l ec o n t r o ls y s t e m s oni sn e c e s s a r i l yr e q u i r e da c a nb u sm d n l t o ra i l dg e n e r a l p u r p o s ed i a g n o s d ct o o lu s e di nm a l l u f a c t i l r e ，d e s i g na n df n e a s u r e i nt h e f i e l do fi n d u s t r i a lm e a s u r e m e n t ，t l l ed i a g n o s t i cs y s t e ms h o u l dn o to n l yp r o v i d et h ef e a t i l r e so fr e l i a b m t y a i l de m c i e n cy b u ta l s ob ec o l b i n e dw i mp o r t a b i l i t yf e a t u r e i i la d d i t i o n ，山ep o c k e t p cn l n n i n gt h e0 sw i n d o w s c ei sa p p l i e dw i d e l yi nt h ea r e ao fm f o 唧a t i o n p r o c e s sa n dm e a s u r e m e n ts y s t e md u et oi t sm e n d l yu s e ri n t c r 量h c e ，e x c e l l e n ta p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t 锄di 坞e a s y c a r r y t h em a i ni d e a lmt h i sm a s t e r st h e s i si st os n j d yh o wi od e s i g na 1 1 di m p l e m e n tt h ec f c a ns y s t e ma s ac a nd i a g n o s t i ct 0 0 1 t h ec a nb u st o o li se s p e c i a l l ys u i t e df o ri n t e r a c t i v ed e v e l o p l n e n tw o r k nc a nb e u s e dt oe a s 诅ys e n dc a nm e s s a g e s ，s t i l d yt t l e i ri m p a c to nt h et a 唱e tr n o d u l e ；i ta l l o w st r i g g e r i i l gw i t hd a t a f r o mab u s ，a n dc a p t u r i n go fd e s i r e df r a m e s p o c k e t p ( ：b a s e do nt h ee “l b e d d e do so fw i n d o w s c ei s c h o s e na s 1 eh o s to ft h ec a nd i a g n o s t i cs y s t e mt oe x c h a n g ec a nd a t aw i t l lt h ec fc a r dv i ac f _ m t e r f a c e t h es y s t e mi sr o u g h l yc a t e g o r i z e da sc a nb u st r i g g e rf i l i l c d o n sf o re f f e c t i v e i yc a p t i l r i n gt h ed e s i r e df r a m e ， a n dc a nb u sa n a l y s i sf u n c t i o n sf o ra n a i y z i n g 【h et m n s i t l i c t e dd a t af m mt h ec a p t u r e dd a t a i ti su s e dt o d r o v i d er e a l t i m ea 1 1 dr e l i a b l ed a t af o rv e h i c l em a i n t e n a n c ea n dd i a g n o s 啦a t i o n o w j i l gt ot h er e q u i r e m e n to fc a n d a t ac o m u n i c a t i o ns p e e da n dh i g he f ! f i c i e n c yo fs a m p l i n gd a t af o r t h es v s t e ma n dt h er e s t r i c t i o na b o u tt h ep o w e rc o s ta n dd i m e n s i o n si nt h ec f + s p e c m c a t i o n ，t h ed e s i g no f c fc a r db e c o m e st h ed i f f i c u l t vt h a ts h o u l db ef o c u s e do ni nt h i st h e s i s f h r t h e rm o r e ，t h ea r c h i t e c t u r ea n d 廿1 ep r o g r a mt t i e o r yi sd i f f e r e n tb e t w e e nt h et r a d i t i o n a la p p l i c a t i o np r o g r a mi nw i n d o w sa n d 【h ed f l v e r p r o g r a mt o w a r d se 血b e d d e do ss y s t e mw i n d o w s c e ，s oi ti si m p o r t a n tc o n t e n tt or e s e a r c ha n dm a s t e rt h e 山e o “柚da r c l l i t e 咖r co fw i l l d o w s c ed r i v e l t h ef i r s tp a no fm i si s s u ei s 血ei n 仃0 d u c 曲no ft h e 山e o r yo fc a nb u sa 1 1 dt h et e c h n o l o g ya b o u t w 协d o w s c ed r i v e ln e x tp a r ti st h ea i l a l y s i st o w a r d s 山ef u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c e sw h i c h 山ec f - c a n d i a g n o s t i ct o o ls h o u l dp r o v i d e a c c o r d i n gt 0t h es t r i c tr e q u i r e m e n t so fs y s t e m ，w ee s t i r n a t et h ep o s s i b l e d i f f i c u l t i e si 1 1t t l ei m p l e m e n t “o no fs y s t e m f o c u s i n go nt h ed i f ：e i c u l t i e s ，b yr e s e a r c ha 1 1 dd e m o n s t r a t l o n ， w ec h o o s eah a r d w a r ep l a t f 0 衄t os u i t er e q u i r e m e n ta n dp e r f o r m a l l c eo ft l l es y s t c 呱d e s i g nah i g he m c i e n t s p e c m c a t i o nw h i c hd e f i n e st l i ec o m m u n i c a t i o nr e g u l a t i o nb e t w e 吼血ec fc a r da n dt h eh o s tm c h i n e ； b a s e d0 nt h es p e c i f i c 撕o n ，d e s i g na n di m p l e m e n tt h ef - m w a r eo nt h ec fc a r d ，t l l ea p p l i c a t i o na 1 1 dd r i v e r o nt h eh o s tc o m b i n e dw i t ht h et e c h n o l o g yo fw 访d o w si n u l t i t | l r e a dd e s i g n i ti sv e r i f i e d 血a tm ec f _ c a nd i a g n o s t i cs y s t e mh a sah i g hr e l i a b i l i t ya n dw o r k e di g o o d d e r f o r m a i l c eb vt e s ta n de v a l u a t i o n c f c a ni ss u i t e df o fi i l t e 工a c t i v ed e v e l o p m e n tw o r k ，a i l dc a nb e e n a d p l i e di no t h e ra r e as u c ha sm e d i c a ld i a g n o s t i cs y s t e m ，e l c c t r o n i cp o w e rd e v i c ea n ds oo n 奎直盔芏堕主兰鱼堡壅 c f _ c a nt 0 0 1c o r n b i n c dw i t ht 1 1 et e c h n o l o g yo fc a na n dp o c k e t p cd g h t l yi st h ea b r e a s to fm et i 忙s t h a t 血e r ea r en oo t h e rd e v i c e sa r et h es a m e i no u rc o u n t 哆 k e yw o r d s ：c a nb u s ，w i n d o w s c e ，c fc a 州，d i a g n o s 位s y s t e m i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 弥但蹲一日划：出 多卵曰 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除 在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容a 论文的 公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：睥导师签名：搴鏖趔扯日期：旦垂埤 东南大学硕士学位硷文 1 课题研究背景 引言 加入w t 0 之后中国汽车业迅猛发展，汽车电子产业已显示了蓬勃的生机和广阔的市场前景。 预计到2 0 0 5 年，汽车电子及与电子技术相关的产品，平均在整车成本中所占的比例将上升到3 0 ； 汽车电子的发展速度将从目前的l o 的增长率，上升到2 0 。随着未来国内外汽车市场的快速发展 和其中电子产品所占比例的提高，中国汽车电子产业将形成巨大经济规模效应，成为支持汽车工业 发展的一门相对独立新兴支柱产业。 实现所有的汽车器件网络化是未来的趋势，实现整车同一总线的内部互连，借助总线系统实现 c a rp c 将是未来汽车电子的发展方向。c a n 总线是目前汽车界最广泛采用的总线形式。c a n 是 c o n t r o l l e r a r e an e 的缩写，即控制器局域网，主要是用于各种过程及控制的一种网络，由德国b o s c h 公司为汽车的监控、控制系统而设计的。例如：控制发动机点火、注油及复杂的加速、刹车、抗锁 定系统等等。由于c a n 卓越的特性和极高的可靠性，固而非常适合工业过程控制设备互联，其应用 范围目前不再局限于汽车行业，而扩展到了机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、 医疗器械、家用电器及传感器等领域发展。c a n 已经形成了国际标准，并且已被公认为最有前途的 现场总线之一f “。 随着c a n 总线应用日益广泛，尤其是在汽车工业中，因而需要相应的总线检测设备用于总线 网络或设备的开发、测试和生产。工业测控领域，要求检测系统必须具备高性能、高可靠性，同时 也需要系统便于携带。 在信息和咨讯快速更新的今天，掌上电脑以其方便和易携带性开始得到广泛应用，如在服务行 业、导航系统、金融、证券、保险等领域。在掌上电脑高端市场中，由微软开发的嵌入式操作系统 w m d o w s c e 发展迅速，占有较高的比例。p o c k e t p c 采用定制化的w i i l d o w s c e 操作系统，用于开发 专用于个人数字手持设各。为方便扩展，基于p o c k e 伊c 的掌上电脑向用户提供了c f 卡通用扩展槽， 利用该接口，可设计不同的c f 卡实现不同的应用，如c f m o d e m 卡、c f 网卡、c f 数据采集卡等。 p 0 c k e 便于携带，使用方便，可以将其作为检测设各的上位机( h o s ) ，通过c f 卡接口采集解析数 据，发送数据信息，可以满足工业测控系统的可靠性、实时性、便携性的要求。 本课题的主要工作就是在基于w i n d o w s c e 开发环境下，设计和制作应用于汽车电子产品的维护 和诊断设备一称之为c f c a n 。该设备通过c a n 总线与汽车各电子装置相连，实现与各智能模块间 的数据采集、命令发送、状态检测等，为汽车维护和诊断提供可靠、实时的数据。装置通过p o c k e t p c 上c f 卡设备实现c a n 总线和有关开关量、模拟量的数据输入连接，实现c a n 总线数据的收发 和有关数据的采集，并对数据进行必要的分析。 由于w i n d o w sc e 的可靠性和实时性，p 0 c k e t p c 的便携性和易操作性，基于之上实现的c f c a n 卡具有突出的实用价值，c f c a n 项目作为p o c k e t p c 和c a n 技术的紧密结合，就国内而言，目前 尚未有同类产品。 2 课题主要工作 本课题的主要内容是研究在嵌入式操作系统w i n d o w s c e 中实现c f 号接口通讯，并且实现c a n 总线检测系统的功能。由于实时性、可靠性和通讯性能的严格要求，c f c a n 设计实现中主要存在 一下技术难点： 由于c a n 通信速度、采样实时性的要求，以及c f 卡规范关于功耗和卡体面积的限制使得 c f 卡设备的设计成为本课题的难点。 c f 卡的驱动程序基于嵌入式操作系统、v i n d o w s c e ，其体系架构、编程思想与传统的 引言 w m d o w s 有较大的区别，因此探索、学习和掌握嵌入式系统w 衄d o w s c e 驱动的编程方法也 是本课题的重要内容。 如何实现c f 卡接口的高速数据通信要求。 如何实现同c a n 总线的接口和实现c f 卡的即插即用。 如何实现下位机软件( f i i l w a r e ) 的自动更新。 本人重点研究了c a n 总线原理和w i n d o w s c e 的流接口驱动原理，并且针对c f c a n 总线检测系 统需具备的功能和性能进行分析；针对技术的难点并且根据功能和性能的需求提出了软硬件设计方 案，并且重点阐述了检测系统的软硬件的实现；最后对实现的c f c a n 检测系统进行功能和性能的 测试和评估。 3 论文结构 论文第一章介绍了c a n 总线的基本原理，第二章在介绍w i n d o w s c e 驱动原理的基础上提出了 了c f 卡驱动程序的实现方法。第三章针对c f c a n 总线检测系统功能和性能的要求，考虑到该测 控系统对实时性、可靠性和通讯性能的严格要求，提出了浚检测系统的实现方案和软硬件架构体系。 第四章在考虑到c f 卡功耗和面积的限制基础上提出了具体的硬件实现，并且根据系统功能和性能 的要求详细论述了c f - c a n 的应用程序、驱动程序、c f 卡软件各部分的实现。第五章介绍了对该方 案所做的测试和评估。可以证明c f c a n 总线检测设备符合系统设计要求，具有很高的可靠性和通 讯一肚能。 2 东南大学硕士学位论文 第一章c a n 总线原理 现场总线技术以其独有的技术优势和特点，在现代分布式测量与控制领域中的应用已愈来愈广 泛。c a n 总线属于现场总线的范畴，它具有通讯速度高、连接方便、可靠性强、性能价格比高等诸 多特点，特别适合工业过程监控设备的互联，因此，越来越受到工业界重视，并已被公认为最有前 途的现场总线之一。本章内容将简要阐述有关现场总线的基础知识并对c a n 总线技术进行详细的介 绍。 1 1 现场总线简介 现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，遵循 i s o 的o s i 开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。 1 1 1 现场总线与局域网的区别”j 按功能比较，现场总线连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，网线上传输的是 小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，但实时性高。简而言之，现 场总线是一种实时控制网络。局域网用于连接局域区域的各台计算机，网线上传输的是大批量的数 字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，但不要求实时性。从这个意义而言，局域网是一种 高速信息网络。 按实现方式比较现场总线可采用各种通讯介质，如双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等， 实现成本低。局域网需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。 1 1 2 现场总线的特点 现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；一对双 绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用；节省维护开销；提高了系统的可靠性；为用户提 供了更为灵活的系统集成主动权；可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特 征吐 1 1 3 各总线产品比较 现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出有4 0 多种现场总线，其 中最具影响力的有5 种，分别是f f 、p r o m b u s 、h a r t 、c a n 和l o n w b r k s ： f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s 现场基金会总线) 由美国仪器协会( i s a ) 1 9 9 4 推出，主要应用于石油化工、 连续工业过程控制中的仪表。 p r 0 肺u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 德国西门子公司1 9 8 7 年推出，主要应用于p l c ( p r o g r a 咖a b l el o g i c c o n t r o l l e n 。 h a r t ( i i 曲w a ya d d r e s s a b l er e m o t e1 h n d u c e r 可寻址远程传感器数据通路) 美国r o s e r n o u n t 公司 1 9 8 9 年推出，主要应用于智能变送器。 c a n ( c 衄t r 0 e ra r e an e t w o r k 控制局域网络) l o n w o r k s ( l o nl 0 c a lo p e f a t i n gs y s t e m 局部操作系统) 美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出，主要应用 于楼宇自动化、工业自动化和电力行业等。 各现场总线性能的对比如表1 1 所示“： 第一章c a n 总线原理 表1 1 现场总线性能比较 鬻 ；鞭 镕嚣；| ；| ；：燃m 獭i i = 篓篝鬻鬻然黧i 舞；黪l 硼捞i 强l e 曩3 篓 ； l 赣鬻糍舞蕊撼粼) | 3 | l g 黪嚣戮t 鬻臻l 嚣i 曩! ! ； 燃黪e l 漆浚l 黪l 蕊缨戳i 鬓溱篓缵篓鬻鏊凌缝黪 ；馐l 黼滋l 艘麟辫l 爨w 麓 应用范围离散控制所有方面过程控制一次仪表所有方面 o s i 层次1 2 7 l 一7 1 2 7 1 2 7 1 ，2 ，7 系统类型总线网络总线总线总线 介质访问c s m 眦d c s m a ，c a主从令牌 主从令牌 主从令牌 错误纠正 c r cc r cc r cc r cc r c 通信介质双绞线，光同轴电缆，电源双绞线，光纤双绞线双绞线。光纤，红 蛘 线，光纤，无线电， 外发射 红外线 寻址方式 单点，多电，广播 单点，多点广播 单点多点广 单每。多革广播 广播播 传输速率5 k p 卜i m b p s3 0 0 b p s l5 m b p s9 6 k b p s 1 2 m b p s1 2 m b p s 3 12 5 k b p s 25 m b d s 传输距离 1 0k m2 7 k m1 0 0 i n 一1 0 k m3 k m5 0 0 m 一19 k m 网络供电不是是是是不是 优先级支持支持支持支持支持 系统控制 命令 命令，状态 状态命令，状态命令，状态 1 2c a n 总线介绍 1 2 1 概述 c a n ( 控制器局域网c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是由b o s c h 公司为汽车应用而开发的个多主机局 部网络系统。c a n 总线采用双线串行通信方式工作。具有强有力的检错功能，可在高噪声干扰环境 中使用，其最高通信速率可达1 m b p s ，最大通信距离可达5 0 0 0 m 。c a n 具有优先权和仲裁功能，多个 单片机可通过c a n 的控制器挂到c a n 总线上。形成多主机局部控制网。c a n 最初设计目标是取代 汽车中过多的硬件连接控制线路，但由于它的优良性能，现在除了汽车外它已在工业自动化、各 种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等领域得到了广泛的应用口j 。 由于c a n 技术应用的普遍推广，导致要求通信协议的标准化，为此，1 9 9 1 年b o s c h 公司制定 并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n 2 o ) 技术规范包括a 和b 两部分。正式颁布的c a n 协议有三种协议： 高速( h i g hs p e e d ，i s o l l 8 9 8 ) ，最高通信数率可达1 m b p s ；低速( l o ws p e e d ，i s o l l 5 1 9 2 ) ，通信速度达 1 2 5 k b p s ；单线( s i n g l ew k l e ，s a ej 2 4 l1 ) ，速度达8 3 3 k b p s 。 1 2 - 2c a n 总线的连接和传递方式 c a n 是一个多主机局域网，它的串行通信链路采用一多个单元均可连接的总线。理论上，单元 数目是无限的，实际的单元总数受限于延迟时间和，或总线的电气负载。c a n 能够使用多种物理介质， 例如双绞线、光纤等。最常用的就是双绞线。信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“c a n 一 r 和“c a n l ，静态时均是2 5 v 左右，此时状态表示为逻辑“l ”，也可以叫做“隐性”。用c a n h 比 c a n l 高表示逻辑“o ”，称为“显形”，此时，通常电压值为：c a n h = 3 5 v 和c a n - l = 1 5 v 。( 该 总线可用各种方法实现，如差分驱动平衡双绞线、单线( 加地线) 、光纤等，其中常用的为第一种。总 线上的数据可具有两种互补的逻辑值之一：主控( d o i l l i n a n t ) 、和隐形( r e c e s s i v e ) 。在两个单元同时分 别发送主控和隐形电平时，总线上的数值将是主控电平。在总线采用线于操作方式时，主控电平用 4 东南大学硕士学位论文 逻辑o 表示，而隐形电平为逻辑1 。) c a n 的网络结构如图1 1 所示” 图1 1 c a n 网络结构 c a n 网络中每个节点由单片机、c a n 控制器和c a n 收发器组成。单片机主要用于系统的计算 及信息等处理；c a n 控制器主要用于系统的通信；c a n 收发器主要用于增强系统的驱动能力。系 统的发送过程是：单片机将外围设备或其它节点传送来的信息处理后，按c a n 规范规定的格式将其 写入c a n 控制器的发送缓冲区中，并启动发送命令，把数据发送到c a n 总线上。接收过程：c a n 控制器从c a n 总线上自动接收数据，并经过过滤后存入c a n 接收缓冲区，且向单片机发出中断请 求，此时单片机可从c a n 接收缓冲区读取要接收的数据。 c a n 总线中，各结点使用相同的位速率。它的每位时间由唰步段、传播段、相位缓冲段1 和相 位缓冲段2 组成。发送器在同步段长度可自由控制，以保证采样的可靠性。除此之外，由于各结点 的时钟总由小的差异，c a n 总线使用时钟同步技术来保证通信的同步性，并在实际传送中，遇到连 续发送的五位相同时，将自动插入一个补码位( 除了发送固定格式字段时) 。c a n 的位定时将在文章 的4 2 3 2 节中详细阐述。 1 2 3c a n 技术规范的介绍 c a n 的i s o o s i 参考模型的层次如图1 2 所示2 】 第一章c a n 总线原理 图1 2 c a n 的i s o ，o s i 参考模型 c a n 通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。c a n 层的定义与开放系统互连模型( o s i ) 一 致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设各只 通过模型物理层的物理介质互连。c a n 的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层。 ( 1 ) 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 定义信号是如何实际传输的，因此涉及到位定时、位编码，解码、同步的解 释。 ( 2 ) 数据链路层( d a t al i i i kl a y e r ) 含以下两个子层： a 介质访问控制子层m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n 咖1 ) 是c a n 协议的核心。它把接收到的报文 提供给l l c 子层，并接收来自l l c 子层的报文。m a c 层负责报文分帧、仲裁、应答、错 误检测和标定。m a c 子层也受一个名为“故障界定”旺a u l tc o n f i n e m c t ) 的管理实体监管。 此故障定为自检机制，以便把永久故障和断时扰动区别开来。 b 逻辑链路控制子层l l c ( l 0 9 i c a ll i n kc o n 仃0 1 ) 涉及报文滤波、过载通知、以及恢复管理。 1 2 - 4 报文 c a n 总线以报文为单位进行信息传送。报文中包含标识符，它也标志了报文的优先权。c a n 总线上的各个节点都可以主动发送。如同时有两个或更多节点开始发送报文，采样标识符来进行仲 裁，发送具有最高优先权报文结点赢得总线的使用权，而其他节点自动停止发送。在总线再次空闲 后，这些节点将自动重发原报文。c a n 系统中，一个c a n 节点不使用有关系统结构的任何信息( 如 站地址等) 。报文中的标识符d 并不指出报文的目的地址，而是描述数据的含义。网络中的所有节 点都可由d 来自动决定是否接收该报文。每个节点都有i d 寄存器和屏蔽寄存器，接收到的报文只 有与该屏蔽的功能相同时，该节点才开始正式接收报文，否则它将不理睬后的报文。这使c a n 系统非常灵活，可任意扩展或改变网络组成。c a n 的通信模型如图1 3 所示“1 ： 6 东南大学硕士学位论文 t r a n s m i t t i n g d e v i c e r e c e i 、，i n g d e v i c e 图1 3 c a n 通信模型 c a n 支持4 种不同类型报文帧，下面是介绍各类型报文帧和帧问空间的概念。 ( 1 ) 数据帧 数据帧用于在各个节点之间传送数据或者命令，它由7 个不同的位场组成：帧起始，仲裁场、 控制场、数据场、c r c 场、应答场和帧结束，具体见格式表1 2 。 表1 2 数据帧格式 帧起始( s o f ) ：标志数据帧的开始，它由一个主控位构成。 仲裁场：由1 1 位标识符( d ) 和远程发送请求位( r t r ) 组成，其中最高7 位不能全是隐形位。 决定了报文的优先权。如主控位为o ，隐形位为1 ，则i d 的数值越小，优先权越高。对 数据帧，r 1 r 为主控电平。 控制场：r l 和r 0 为保留位，应发送主控电平。d l c 为数据长度码n ，它为o 一8 。 数据场：允许的数据字节长度为0 8 ，由d l c 为数据长度码n 决定。 c r c 场：采用1 5 位c r c ，其生成多项式为x 。5 + x 4 + x l o + x 8 + x 7 + x 4 + x 3 + l 。c r c 场的最后 一位为c r c 分隔符，它为隐形电平。 应答场：包括应答位和应答分隔符。发送站发出的这两位均为隐形电平。而正确地接收到有 效报文地接收站，在应答位期间应传送主控电平给发送站。应答分隔符应为隐形电平。 帧结束：由7 位隐形电平组成。 咀上为标准格式地数据帧，除此之外，在c a n 规范2 0 b 中，还定义了扩展格式的数据帧，它 的标识符扩展为2 9 位。 ( 2 ) 远程帧 接收数据的站可发送远程帧来要求源节点送数据。它由6 个位场组成：帧起始、仲裁场、控制 场、c r c 场、应答场和帧结束。除了没有数据场和仲裁场的r t r 位为隐形电平外，远程帧与数据帧 完全相同。它也有标准和扩展两种格式。 ( 3 ) 出错帧 出错帧由错误标志表和错误分隔符组成。接收站在发现总线上的报文出错时，将自动发出“活动 错误标志”，它为6 个连续的主控位。由于各个接收站发现错误的时间可能不同，总线上的实际错误 标志可能由6 1 2 位主控位所组成。在错误标志后为8 个隐形位组成的错误分隔符。每个站发送错误 标志后，开始发送隐形电平，并监视总线，在检测到出错条件时，将发送“认可错误标志”，它为6 个连续的隐形位。 第一章c a n 总线原理 ( 4 ) 超载帧 超载帧由超载标志和超载分隔符组成。超载帧只能在一个帧的结束开始。当一个接收节点的要 求延迟下一个数据帧或远程帧，或当帧空间的问歇场的第l 、2 位检测到主控位及在错误、超载分隔 符的最后一位采样到主控位，开始发送超载帧。超载标志由6 个主控位组成，而总线上的实际超载 标志为6 7 位。超载分隔符为8 个隐形位。 ( 5 ) 帧闻空间 数据帧和远程帧与前面的任何帧用帧问空间分隔开。它包括间歇场和总线空闲场。间歇场由3 个隐形位组成。总线空闲场可为任何长度，此时总线处于空闲状态，允许发送站发送新报文。对于 已发送“认可错误标志”的站，它在间歇场后还将送出8 个隐形位。 1 2 5 错误检测p 1 c a n 为了提高干扰能力和数据的可靠性，采用了多种错误检测手段。 ( 1 ) 发送监视：发送站时刻检测它发送的每一位数值，如监视到的总线数值与送出的数值不同时 候，则为位错误。 f 2 ) 填充监视：在应用位填充方法进行编码的报文字段中，出现第6 个连续相同的位电平。 ( 3 1c r c 错误：接收站计算得出的c r c 序列与接收到的不同。 ( 4 ) 格式错：固定格式的位场的格式与规定不同。 ( 5 ) 应答错误：在应答位期间，发送站未检测到主控位。 发现出错时，接收站将发送活动出错标志，而发送站将发送认可出错标志。 1 2 6c a n 总线特点 c a n 是一种适用于控制领域使用的单片微机局部网络。使用c a n 控制器或带有c a n 控制器的 单片微机实现多机通信，与使用异步串行通讯口( u a r t ) 和软件来实现多机通信相比，具有以下优点 2 1 ： ( 1 ) c a n 可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节 点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。利用这一特点也可方便地构成多机各份系统。 ( 2 ) c a n 采用非破坏性仲裁技术当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动 停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，大大节省了总线冲突裁决时间； 最重要的是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况。 ( 3 ) c a n 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，这样传输时间短，受干扰的概率低，且 具有极好的检错效果。 ( 4 ) c a n 每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。 ( 5 ) c a n 网络上的节点( 信息) 可分成不同的优先级可以满足不同的实时要求。 ( 6 ) c a n 可以点对点、一点对多点( 成组) 及全局广播几种传送方式交换数据。 ( 7 ) c a n 的通信速率最高可达l m b i “s ( 此时距离最长4 0 m ) ，通信距离最远可达l o k m ( 速率5 k b ，s 以下) 。 ( 8 ) c a n 上的节点数实际可达1 1 0 个；并且不关闭总线即可任意挂接或拆除节点。 ( 9 ) 通信介质采用廉价的双绞线即可，无特殊要求；现场布线和安装简单，易于维护，经济性好。 ( 1 0 ) g n 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总 线上的其他操作不受影响。 总之，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。c a n 作为现场设备级的通 信总线，与其他总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比。 1 2 7c a n 的高层协议 8 东南大学硕士学位论文 c a n 的高层协议也可理解为应用层协议，是一种在现有的底层协议物理层和数据链路层之上实 现的协议高层协议是在c a n 规范的基础上发展起来的应