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基于c a n 总线的前移式叉车控制系统研究 摘要 用控制器局域网( c a n ) 装备电动车辆的控制系统是当今国际上 最新控制技术之一，基于c a n 总线的前移式叉车控制系统成为国际上 各大叉车制造公司的研究热点。 本文通过对c a n 总线通讯协议及前移式叉车控制系统关键技术 的研究，设计了基于c a n 总线的前移式叉车控制系统。在硬件方面， 设计了c a n 接口单元、电子转向控制单元和集成操纵控制单元。c a n 接口单元采用通用的c a n 总线控制器和收发器，因而具有较高的性能 价格比。电子转向控制单元采用闭环控制技术，控制精度高。集成操 纵控制单元采用脉宽调制技术，取得良好的节能效果。在软件方面， 设计了c a n 总线应用层通信协议和电子转向控制单元软件。c a n 总 线应用层通信协议是c a n 总线应用层软件设计的基础，论文采用地址 标识的方法，使标识符域允许c a n 总线仲裁，同时按照地址对消息的 类型进行分类和编码。为了确保消息被正确的模块接收，我们采用了 一种激励和响应消息的补充协议。电子转向控制单元软件采用中断方 式实现，论文主要对电子转向的控制规律进行深入研究，提出了满足 实际需要的控制方案。 利用对关键技术的研究成果，研制了基于c a n 总线的前移式叉车 样机。通过对样机的试验和使用，证明该控制系统具有较高的技术水 平和实用价值。 关键词：前移式叉车c a n 总线c a n 接1 ：3 电子转向 t h er e s e a r c ho fr e a c ht r u c k c o n t r o l s y s t e m b a s e do nc a nb u s a b s t r a c t t o d a yi t i so n eo ft h ea d v a n c e dc o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h ew o r l dt o u s ec o n t r o l l e ra r e an e t w o r kt oe q u i pt h ec o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r o t r u c k s t h er e s e a r c ho fr e a c ht r u c kc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a nb u si sb e c o m i n g ah o ts p o to fa l lb i gf o r k l i f tc o m p a n i e si nt h ew o r l d t h r o u g hr e s e a r c h i n gc a n b u sp r o t o c o la n dt h ek e yt e c h n o l o g yo f r e a c ht r u c kc o n t r o ls y s t e m ，w ed e s i g n e dr e a c ht r u c kc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nc a nb u s i nh a r d w a r e a s p e c t w ed e s i g n e d c a ni n t e r f a c eu n i t ， e l e c t r o n i cs t e e r i n gc o n t r o lu n i ta n dc e n t r a l i z e d c o n t r o lu n i t t h ei n t e r f a c e u s en o r m a lc a nc o n t r o l l e ra n dc a nt r a n s c e i v e r s oi th a sh i g h e rr a t i oo f p e r f o r m a n c e v e r s e p r i c e w eu s e d c l o s e d l o o p c o n t r o l t e c h n o l o g y i n e l e c t r o n i c s t e e r i n g c o n t r o lu n i t ，t h ec o n t r o l p r e c i s i o n i s h i g h e r t h a n t r a d i t i o n a lm e t h o d w ea d o p t e dp w mt e c h n o l o g yi nc e n t r a l i z e d - c o n t r 0 1 u n i ta n ds a v e d e n e r g y i n s o f t w a r e a s p e c t ，w ed e s i g n e d c a nb u s a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o la n dt h es o f t w a r eo fe l e c t r o n i cs t e e r i n gc o n t r o l u n i t c a nb u s a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l i st h eb a s e o fc a nb u s a p p l i c a t i o nl a y e rs o f t w a r e w ea d o p t e dt h ew a y o fa d d r e s si d e n t i f i e r ，t h i s i d e n t i f i e ra l l o w sc a nb u sa r b i t r a t i o n ，a n dc l a s s i f ya n de n c o d em e s s a g e t y p e s ，r e f e r r e dt oa sa d d r e s s i n g t oi n s u r et h a tam e s s a g ei s r e c e i v e db y t h ec o r r e c tm o d u l e ，w ee m p l o yas t i m u l u s ，r e s p o n s em e s s a g i n gp r o t o c o l t h es o f t w a r eo fe l e c t r o n i cs t e e r i n gc o n t r o lu n i ti sr e a l i z e di ni n t e r r u p t i v e w a y ，w es t u d i e dh a r di nt h ec o n t r o lr u l eo fe l e c t r o n i cs t e e r i n ga n d b r o u g h t f o r w a r dac o n t r o lm e t h o dw h i c ha c c o r dw i t ht h en e e do fp r a c t i c e m a k i n gu s eo ft h e r e s e a r c ho u t c o m eo fk e yt e c h n o l o g y ，w e h a v e a l r e a d y m a d et h es a m p l eo fr e a c ht r u c kb a s e do nc a nb u s t h r o u g h t e s t i n g a n du s i n g ，w ec a n p r o v e t h a tt h ec o n t r o l s y s t e m h a s h i g h e r t e c h n o l o g i c a ll e v e la n dm o r ea p p l i c a b l ev a l u e k e y w o r d s ：r e a c h t r u c k ，c a nb u s ，c a ni n t e r f a c e ，e l e c t r o n i cs t e e r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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金蟹王业太芏 或其他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 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名纭蹭 签字日期川年夕月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王业盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权金墼工业太堂可以将学位论文的全部或部分内容编人有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：踏勿午 签字日期：弘哆年7 月坩日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位；d 纫奴串缘团，者司躯带寸，p 通讯地址：甸慨彳节一多钞。j 导师签名 签字魄问寸月l 艿日 电话：；妒，- 卜口俨 邮编；? 一z l 致谢 本论文是在我的导师侯整风老师的精一t l , 指导和亲切关怀下完成 的，导师渊博的知识、丰富的实践经验和严谨的治学态度深深地感染 着我，激励着我克服困难、永远向前，使我在学业上受益匪浅。 我要感谢我的导师侯整风老师，我的导师在学业和工作上对我进 行了悉心的指导，我取得的每一点成绩都包含着他辛勤的汗水。 我要感谢中国科学院合肥智能机械研究所的方凯研究员，他在本 文的撰写过程中，给我许多支持和帮助。 我要感谢研究生课程班所有曾经和正在关怀和帮助我的老师和同 学们。 另外，需要特别感谢的是安徽叉车集团公司的领导和教育科的章昌 时老师，他们在工作、学习、生活上对我长期无私的关怀和支持，没 有他们的帮助，我的学业和论文是无法完成的。 作者：张克军 2003 年6 月 日h吾 随着计算机技术、传感器技术、现代控制技术和电力电子技术的发展， 物流工业从个别机械化飞速地向自动化方向迈进。性能优良的电机控制器改 善了物流搬运车辆的行驶感觉、控制性能和可靠性，电子转向单元提供了更 好的转向控制和转向性能，集成操纵单元降低了操作人员的劳动强度、提高 了工作效率，电子起升单元的先进控制改进了作业效率和噪声水平。随着系 统功能和复杂程度的不断提高，面对众多的局部控制器，c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总线可以为我们提供一个创建功能部件互连体系和信息共 享的方式。 c a n 总线是德国b o s c h 公司8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与 测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行通信协议，c a n 总线的最大特点 是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，c a n 协议采 用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。c a n 总线卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备 的互连，因此c a n 总线被公认为最有前途的现场总线之一。 如果能对工程车辆的电子转向控制单元、集成操纵控制单元及c a n 总 线通信协议进行深入研究，把c a n 总线技术应用到工程车辆控制系统的研 究和设计中，设计出基于c a n 总线的工程车辆控制系统，可使我国工程车 辆技术水平跨人世界先进行列，提高我国工程车辆在国际市场的竞争力，具 有非常重要的意义。 本文针对这一需求，进行了相关方面的研究工作，课题的研究分为四个 部分：第一部分是综述部分，主要对c a n 总线的技术特点，前移式叉车控 制系统的现状及发展趋势进行分析，并简要介绍了本文的主要研究内容。第 二部对c a n 总线物理层和数据链路层通信协议进行深入研究，为后面设计 c a n 总线应用层通信协议打下了基础。第三部分根据前移式叉车控制系统的 发展趋势，结合前移式叉车控制系统的需求，设计了基于c a n 总线的前移 式叉车控制系统的硬件和软件。在硬件设计方面，主要设计了c a n 总线接口 单元、电子转向控制单元和集成操纵控制单元。c a n 接口单元采用通用的c a n 总线控制器和收发器，因而具有较高的性能价格比。电子转向控制单元采用闭 环控制技术，控制精度高，操作方便、省力。集成操纵控制单元采用p w m ( 脉 宽调制) 技术，实现了低功率电磁阀与车载电源的匹配，取得良好的节能效果。 在软件设计方面，主要设计了c a n 总线应用层通信协议和电子转向控制单元 软件。c a n 总线应用层通信协议是c a n 总线应用层软件设计的基础，本文采 用地址标识的方法，使标识符域允许c a n 总线仲裁，同时按照地址对滑息的 类型进行分类和编码。为了确保消息被正确的模块接收，论文采用了一种激励 和响应消息的补充协议。激励和响应消息协议要求消息必须被来自接收节点的 响应消息确认，表示消息已被想要的模块所正确接收。电子转向控制单元软件 采用中断方式实现，本文主要对控制规律进行深入研究，提出了满足实际需求 的控制方案。为达到系统控制快、稳、准的控制目标，我们将一次转向过程细 化为许多可能的阶段，加进一些可调参数，分别给予不同的控制约束，实现了 无级变速。第四部分主要介绍样机的试验情况，对试验结果进行分析，并对 全文的工作进行总结。 本文所研究的基于c a n 总线的前移式叉车控制系统已完成，该项目于 2 0 0 2 年通过国家级鉴定，样机已在安徽叉车集团公司投入使用，使用效果良 好。 1 1 c a n 总线概述 第一章绪论 c a n ( c o n t r o la r e a n e t w o r k ) 总线属于现场总线的范畴，它是一种有 效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。c a n 总线的应用范围遍及从高 速网络到低成本的多线路网络。在自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传 感器、抗滑系统等应用中，c a n 的位速率可高达1 m b p s 。同时，它可以廉价地 用于交通运载工具电气系统中以替代所需要的硬件连接。 c a n 总线是德国b o s c h 公司8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与 测试仪器之间的数据交换而开发的一种在强电磁干扰等恶劣环境下能够可靠工 作的网络系统，因其可靠性高、成本低和具有较高的实时处理能力而被更多的 现场系统采用。c a n 总线卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合 工业过程监控设备的互连，因此c a n 总线被公认为最有前途的现场总线之一。 c a n 总线遵从o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o r m e c t i o n ) 模型，参照模型，c a n 总线的结构可划分为三层：物理层、数据链路层和应用层。c a n 总线的分层结 构如图表1 ： 应用层 数据链路层 物理层 图表1c a n 的分层结构 c a n 总线物理层又可分为三部分：物理信令( p l s ) 、物理媒体连接( p m a ) 和媒体相关接口( m d i ) 。c a n 总线数据链路层又可分为逻辑链路控制( l l c ) 子层和媒体访问控制( m a c ) 子层。c a n 总线应用层协议由用户设计，应用 层视c a n 系统的应用场合不同而随各自应用领域的目标和特性发生变化。 c a n 总线中的数值为两种互补逻辑数值之一：“显性”( d o m i n a n t ) 或“隐 性”( r e c e s s i v e ) 。“显性”数值表示逻辑“0 ”，而“隐性”数值表示逻辑“1 ”。 “显性”和“隐陛”位同时发送时，最后总线上的数值将为“显性”。在“隐性” 状态下，两线的差分电压近似为0 。在总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐 性”状态。“显性”状态以大于最小阀值的差分电压表示。在“显性”位期间， “显性”状态改写隐性状态并发送。 c a n 总线系统一般由c a n 总线、c a n 接口单元和c a n 总线节点等几部 分组成。c a n 总线系统的一般组成模式如图表2 ： c a n 总线 图表2c a n 总线系统的一般组成模式 c a n 总线的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤介质，如果需要进一 步提高系统的抗干扰能力，还可以在c a n 接口单元和传输介质之间加光电隔 离，电源采用d c d c 变换器等措施。c a n 接口单元集成了c a n 协议的物理 层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，担负了传送数据的打包、 编码、校验、发送、接收、拆包及解码的职责。c a n 总线节点完成系统的控制 功能。 由于c a n 总线愈来愈多为不同领域采用和推广，导致要求不同应用领域 通信报文的标准化。为此，1 9 9 1 年9 月p 出 p ss e m i c o n d u c t o r s 制订并发布了 c a n 技术规范( v e r s i o n2 o ) 。该技术规范包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了曾 在c a n 技术规范版本1 2 中定义的c a n 报文格式，而2 0 b 给出了标准的和扩 展的两种报文格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运载工具一 数字信息交换高速通信控制器局域网( c a n ) 国际标准( i s o1 1 8 9 8 ) ， 为控制器局域网标准化、规范化推广铺平了道路。 1 2 c a n 总线的特点 由于采用了许多新技术和独特的设计，与一般的通信总线相比，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，其特点可概括为： 废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，采用这种方法 的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，便于关键件的备份和冗 余，还可使不同的节点同时接收到相同的数据； 采用多主方式工作，网络上任一节点可在任一时刻主动地向网络上其他节点 发送信息，不分主从； 采用短帧结构，数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命 令、工作状态及测试数据的要求，同时8 个字节不会占用总线时间过长，从 而保证通信的实时性，还降低了受干扰的概率： 网络上节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求； 采用非破坏性总线仲裁制度，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较 低的节点自动退出发送，而最高优先级的节点可以不受影响地继续发送，节 省了总线冲突仲裁时间，即使在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪 的现象； 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点、全局广播等几种方式传送 接收数据，不需专门“调度”，节省硬件开支； 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，最大通信速率1 m b p s ( 通 信距离 4 0 m ) ，最大直接通信距离1 0 k m ( 通信速率 5 k b p s ) ； 每帧信息都有位填充、数据块编码、c r c 校验等检错措施，保证了数据通 信的可靠性； 节点出错严重时，自动关闭输出功能，其它节点不受影响； 由于c a n 总线以上卓越的特性、可靠性和适应汽车环境的应用背景，使 其越来越受到工业界的重视，被公认为是最具发展前途的现场总线之一。 1 3 前移式叉车控制系统技术水平现状及本文主要内容 1 3 1 前移式叉车控制系统国内外技术水平现状及发展趋势 目前，国外j u n g h e i n r i c h 、b t 、l i n d e 、c r o w n 、t c m 、丰田等多家大公司 的前移式叉车控制系统都采用计算机、自动控制、传感技术等现代高新技术， 实现了机电液一体化，技术先进、性能可靠，使产品的附加值远高于普通电动 叉车。基于c a n 总线的前移式叉车控制系统已成为各大叉车制造公司的研究 热点，j u n g h e i n r i c h 和l i n d e 等公司已推出基于c a n 总线控制的前移式叉车。 国外其它叉车公司生产的前移式叉车大多采用集中式计算机控制系统。国内这 种高技术含量的前移式叉车产品属于空白，而普通的电动叉车生产厂家也极少 且技术水平较国外落后，杭州叉车厂生产的普通电动叉车仅仅是安装了 m o s f e t 功率管斩波器，整机控制仍采用普通电器控制系统。 随着微电子技术、现代电力电子技术、传感技术、计算机技术的飞速发展， 以微处理器为核心的机电液一体化控制系统，是今后前移式叉车控制系统的主 流方向。前移式叉车控制系统的发展趋势是： c a n 总线技术应用于前移式叉车控制系统中 前移式叉车各控制模块之间采用c a n 总线进行通信，整个控制系统在网 络控制下得以实时交换控制信息，用以同步和控制所有电子功能部件成为一个 整体的虚拟单元，在两条高速通信总线的连接下，每个独立功能部件从其它功 能部件存取信息如同自身存取一样方便。 把c a n 总线技术用于前移式叉车控制系统上，提高了数据通信的可靠性、 提高了通信速率，降低了控制系统成本，大大提高了前移式叉车的控制水平。 电子转向系统代替液压转向和机械转向系统 传统的电动叉车转向系统采用机械转向或液压转向系统。机械转向的缺点 是，操纵力大，操作者易疲劳：液压转向的缺点是浪费能量，操纵力大a 采用电子转向技术不仅操纵力小( 操纵力为2 n 左右) ，可以比液e 叵转向节 约2 5 的能量，而且易于控制，可以实现无人驾驶。 国外的前移式叉车已开始采用电子转向技术，国内该技术尚属空白。 集成操纵系统将代替多手柄操纵 随着操作人员对操纵舒适性的要求越来越高，集成化操纵成为发展趋势。 所谓集成化操纵就是用一个操纵手柄完成叉车的所有控制动作( 叉车前进，后 退、门架前进，后退、门架上升厂f 降、货又前倾循倾、货叉左侧移佑侧移) 。 这样，在一个操纵手柄上完成所有操作，降低了操作人员的劳动强度，提高了 劳动效率。同时采用集成操纵系统，使前移式叉车更易于控制，可以实现遥控 和无人驾驶。 油泵电机控制系统将达到广泛应用 油泵电机控制器可以控制油泵电机，实现l - j 架起升，门架前进，门架后退等 动作的无级调速，还可以设定油泵电机转速，以控制货叉倾斜删移速度。采用 油泵电机控制器可以节约2 5 的能量，延长蓄电池组单班使用时间，降低了液 压系统的发热。 制动系统向电子化方向发展 为了减少制动冲击，增强适用性，需要可变的制动力矩对电机进行制动， 这一需求促进了可调力矩电磁制动的发展。 可调力矩制动器由一个弹簧加压制动器和电子控制装置力矩控制器组 成，这种机电一体化的制动系统在实现制动力矩可调功能的同时，还可通过力 矩控制器对制动器的磨损进行监测，使系统的可靠性提高，降低运行维护成本。 此外，这种可调力矩制动器还可以带c a n 总线接口，通过它可以实现对制动 器的远程诊断及控制，并可以实现对制动控制的网络化操作。 1 3 2 本文的主要内容 一、本课题的目标 本课题是国家经济贸易委员会确立、安徽叉车集团公司主持的国家技术创 新项目“前移式蓄电池叉车技术开发”的子课题，它所要达到的目标是： 整机实现c a n 总线控制，达到控制可靠、通信方便的目的； 整机采用电子转向控制单元，使转向轻便，易于控制； 整机采用集成操纵控制单元，使操纵方便； 整机采用起升控制单元，提高工作效率，节约能量； 整机采用电磁制动技术，提高制动系统的先进性和可靠性。 二、本文的主要内容 本文的主要内容包括以下几部分： 第一章绪论：主要对c a n 总线的技术特点、前移式叉车控制系统的现状及 发展趋势进行分析，并简单介绍本课题的基本情况。 第二章c a n 总线的通信协议：对c a n 总线物理层和数据链路层协议进行深 入研究。 第三章基于c a n 总线的前移式叉车控制系统硬件设计：主要设计了控制系 统硬件总体结构、c a n 总线接口单元硬件、电子转向控制单元硬件和集成操纵 控制单元硬件，并介绍了安全保护环节的设计思想。 第四章基于c a n 总线的前移式叉车控制系统软件设计：主要设计了控制系 统软件总体结构、c a n 总线应用层通信协议、c a n 总线节点通信软件和电子 转向控制单元软件，并对电子转向单元的控制规律进行研究，提出了符合需求 的控制方案。 第五章控制系统试验结果及本文总结：主要介绍了样机的试验隋况，对试验 结果进行分析，并对全文进行总结。 第二章c a n 总线的通信协议 2 1 c a n 总线的通信方式 c a n 总线遵从o s i 模型，参照模型，c a n 总线的结构可划分为三层：物 理层、数据链路层和应用层。根据不同需要，c a n 总线可以工作在主从方式和 多主发送方式。尤其在多主发送方式时，使得分布于不同地点的各个设备之间 的数据交换显得更为灵活和直接。 c a n 总线的网络传输十分类似于邮电系统，每个传送帧包含有数据和d ( 标识符) ，每次发送时，总线的竞争使得具有最小m 号的帧优先发送至总线 上，较大d 号的帧需等具有最小d 号的帧发送完毕才能发送成功。由于总线 的广播特性，网上所有模块都能收到发送帧。 c a n 总线的通信具有以下特性： 可同时建立1 0 2 4 条通信链路，c a n 报文的d 号有1 1 位，其中3 位作为优 先级，其余8 位作为源地址及目的地址，链路可以在任意两点之间或一点至 多点之间建立。 数据长度最多为8 字节。 发送时按c a n 规范规定的格式将数据写入c a n 控制器的发送缓冲区，并 启动发送命令，c a n 总线控制器把数据发送到c a n 总线上；c a n 总线控 制器从c a n 总线上自动接收数据，经过滤后存人c a n 接收缓冲区，且向 c a n 总线节点的单片机发出中断请求，此时单片机可以从c a n 接收缓冲区 读取要接收的数据。 数据的优先级根据标识符而定，m 号越小，优先级越高。 2 2c a n 总线的物理层协议 2 2 1 物理层功能模型 物理层分为三邵分，如图表3 所不： 1 物理信令( p l s p h y s i c a ls i g n a u i n g ) ：实现位编码、定时和同步功能。 2 物理媒体连接( p m a p b y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) ：实现总线发送艘 收功能并可提供总线故障检测方法。 3 媒体相关接口( m d 卜m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) ：实现物理媒体和媒 体访问单元之间机械和电气接口。 2 2 2 位编码俑! 码 图表3 物理层结构模型 位时间t b 被定义为一位的持续时间。在位时间框架内执行的总线管理功能 诸如e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 同步状态、网络发送延迟补偿和采样点定 位均由c a n 协议集成电路的可编程位定时逻辑确定。 正常位时间实际上是正常位速率的倒数，即： 正常位时闽= l 艋：常位速率 正常位时间可划分为分开的、不覆盖的时间段。位时间各组成部分如图表 4 所示，即：同步段( s y n c s e g ) 、传播时间段( p r o p s e g ) 、相位缓存段1 ( p h a s e s e 9 1 ) 、相位缓存段2 ( p h a s e s e 9 2 ) 。 i 。 正常位时间 。 _ 1r i i同步段传播时间段相位缓存段1相位缓存段2 图表4 位时阉各组成部分 采样点 s y n c - s e g 时间段用于同步总线上的各种e c u 。在此段内，等待一个跳变 沿。p r o p - s e g 时间段用于补偿网络内的物理延迟时间。这些延迟时间包括总线 上的信号传播时间和e c u 的内部延迟时间。p h a s e s e g l 和p h a s e - s e ；9 2 这两个 相位缓存段用于补偿沿相位误差。这两个时间段可通过重同步延长或缩短。 采样点是这样一个时点，在此点上读总线电平，并被理解为相应位数值， 其位于相位缓存段1 的结束。信息处理时间始于采样点，保留用作计算子序列 位电平的时间段。 位时间按时间份额进行编程。时间份额是由振荡器周期推出的固定时间单 位。当前可编程整数的预分刻度范围为1 3 2 。 时间份额= mt 时间份额最小值 其中：m 为预分刻度数值。 组成位时间的各时间段长度分别为：s y n c s e g 长度为一个时间份额； p r o p s e g 长度可编程为1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 或更多时间份额；p h a s e s e g l 长度可编程为1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 或更多时间份额；p h a s e s e 9 2 为p h a s e s e g l 的最大值加上信息处理时间。信息处理时间长度为小于或等于2 个时间份额。 位时间中时间份额总数必须编程为至少8 2 5 。 2 2 3 同步 同步包括硬同步和重同步两种形式，它们遵从下列规则。 在一个位时间内仅允许一种同步； 只要先前采样点检测到的数值不同于边沿后即现的总线数值，边沿将 被用于同步； 总线空闲期间，当存在“隐性”至“显性”的跳变沿即完成硬同步； 所有满足和的其他“隐性”至“显性”的跳变沿将被用于重同步。 1 重同步和重同步跳转宽度 由于重同步的结果，p h a s e s e g l 可被延长或p h a s e s e 9 2 可被缩短。延长和 缩短相位缓存段的总和具有由重同步跳转宽度给定的上限。重同步跳转宽度可 在1 和最小值之间编程。 2 硬同步 硬同步后，位时间由每个位定时逻辑单元以s y n c s e g 重新启动。因此，硬 同步强迫引起硬同步的边沿处于重新启动位时间的同步段内。 3 同步边沿的相位误差 边沿的相位误差e 由相对于s y n c - s e g 边沿的位置给定，以时问份额度量a 相位误差的符号定义如下：当引起重同步的边沿相位误差的幅值小于或等于重 同步跳转宽度的编程数值时，重同步导致位时间的缩短或延长，使采样点处于 正确位置。当相位误差的幅值大于重同步跳转宽度时，如果相位误差e 为正， 则p h a s e s e g l 延长数值等于重同步跳转宽度；如果相位误差e 为负，则 p h a s e s e ：9 2 缩短数值等于重同步跳转宽度。 1 0 2 3c a n 总线的数据链路层协议 c a n 总线的数据链路层又可划分为逻辑链路控制( l l c l 0 百cl i n k c o n t r 0 1 ) 子层和媒体访问控制( m a c m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层。 2 3 1 逻辑链路控制( l l c ) 子层 一、l l c 子层功能 l l c 子层提供的功能包括：帧接收滤波、超载通告和恢复管理。 帧接收滤波：帧内容由标识符命名。每个接收器通过帧接收滤波确定此 帧与该接收器是否有关。 超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个l l c 数据帧或l l c 远 程帧，则通过l l c 子层开始发送超载帧。最多可产生两个超载帧，以 延迟下一个数据帧或远程帧。 恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，l l c 子层具有 自动重发送功能。 二、l l c 帧结构 l l c 帧是等同l l c 实体之间进行交换的数据单元，以下分别描述l l c 数 据帧和远程帧的结构。 1 l l c 数据帧 l l c 数据帧由三个域，即标识符域、数据长度码( d l c d a t al e n g t h c o d e ) 域和l l c 数据域组成，如图表5 所示。 图表5l l c 数据帧 标识符域：标识符长度为1 1 位，其最高七位不应全为“1 ”。 d l c 域：d l c 指出数据域字节个数。d l c 由4 位构成，数据帧允许数据字 节数目范围为o 8 ，图表6 中规定数值以外的其它数值不能使用a 数据域：数据域由数据帧内被发送数据组成，它可包括o 8 个字节，每个 字节包括8 位。 数据字数据长度码 节数目 d l c 3d l c 2d l c ld l c o oo o0o 1oo0l 2o0lo 3o0ll 4o1oo 5o1ol 6o11o 7o l 11 81o0 o 图表6 由d l c 表示的数据字节数目编码 2 l l c 远程帧 l l c 远程帧由两个域组成，如图表7 所示 图表7l l c 远程帧 l l c 远程帧标识符格式与l l c 数据帧标识符格式相同，只是不存在数据 域。d l c 的数值是独立的，此数据为对应数据帧的数据长度码。 2 3 2 媒体访问控制( m a c ) 子层 一、m a c 子层结构功能模型 媒体访问控制功能模型如图表8 所示，在此模型中将m a c 子层划分为完 全独立工作的两部分，即发送部分和接收部分，此两部分功能如下a i 发送部分功能包括： 发送数据封装 接收l l c 帧和接口控制信息 c r c 循环计算 通过向l l c 帧附加s o r 、r t r 位、保留位、c r c 、a c k 和e o f 构成m a c 帧 发送数据封装接收数据拆装 上t 发送媒体访问管理接收媒体访问管理 i i 对物理接口访问 l 发送数据解码接收数据解码 物理层信令 图表8 媒体访问控制功能模型 发送媒体访问管理 确认总线空闲后，开始发送过程 m a c 帧串行化 插入填充位( 位填充) 在丢失仲裁情况下，退出仲裁并转入接收方式 错误检测( 监控、格式校验) 应答校验 确认超载条件 构造超载帧并开始发送 构造出错帧并开始发送 输出串行位流至物理层准备发送 2 接收部分功能包括： 接收媒体访问管理 由物理层接收串行位流 解除串行结构并重新构筑帧结构 检测填充位( 勰除位填充) 错误检测( c r c 、格式校验、填充规则校验) 发送应答 构造错误帧并开始发送 确认超载条件 重激活超载帧结构并开始发送 接收数据拆装 由接收帧中去除m a c 特定信息 输出l l c 帧和接口控制信息至l l c 子层 二、m a c 帧结构 在进行数据传输时，发送报文的单元称之为该报文的发送器。该单元在总 线空闲或该单元丢失仲裁前恒为发送器。若一个单元不是报文发送器，并且总 线不处于空闲状态，则称该单元为接收器。 对于报文发送器和报文接收器，报文的实际有效时点是不同的。对于发送 器而言，如果直到帧结束末尾一直未出错，则对于发送器报文有效。如果报文 受损，将允许按照优先权次序自动重发送。为了能同其它报文访问总线竞争， 总线一旦空闲重发送立即开始；对于接收器而言，如果直到帧结束的最后一位 一直未出错，则对于接收器报文有效。 构成一帧的帧起始、仲裁域、控制域、数据域和c r c 序列均借助位填充规 则进行编码。当发送器在被发送的位流中检测到五位连续的相同数值时，将自 动地在实际的发送位流中插入一个补码。 数据帧或远程帧( c r c 界定符、应答域和帧结束) 的其余域采用固定格式， 不进行填充。出错帧和超载帧同样是固定格式，并且也不进行位填充方法编码。 报文中的位流按照非归零( n r z - 士岫nr e t u r nt o7 _ e r a ) 方法编码，这意 味着一个完整位其位电平或者是“显性”，或者是“隐性”。 报文的传送由四种不同类型的帧表示和控制：数据帧携带数据由发送器至 接收器；远程帧由节点发送，以请求发送具有相同标示符的数据帧；出错帧由 通过检测发现总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前的和后续的数据 帧或远程帧之间的附加延迟。 数据帧和远程帧借助帧间间隔同先前帧分开。 1 m a c 数据帧 m a c 数据帧由七个不同域构成，m a c 数据帧组成如图表9 ： 图表9m a c 数据帧组成 1 4 帧起始( s o 卜s t a n o f f r a m e ) 帧起始标志数据帧和远程帧的起始，它由单个“显性”位构成。只有当总 线为空闲状态时，才允许节点开始发送，所有节点必须同步于首先开始发送节 点的帧起始前沿。 仲裁域 仲裁域由标识符和r t r ( r e m o t et r a n s m i s s i o nr e q u e s t ) 位构成。仲裁域组 成如图表1 0 ： 图表1 0 仲裁域组成 标识符的长度为1 1 位。这些位以d 一1 0 至o 的顺序发送，最低位为 d ) _ - o ，其中最高7 位( d 一1 0 ) _ _ 4 ) 必须不全是“隐性” r t r 位在数据帧中，必须是“显性”电平，而在远程帧中r t r 位必须是 “隐性”电平。 控制域 控制域由六位构成，包括两位用于未来d l c 扩展的保留位。接收器接收0 ” 和1 位作为所有组合中的保留位。在定义保留位功能前，发送器只送“0 ” 位。控制域组成如图表1 l ： r 1r 0d l c 3d l c 2d l c l d l c 0 一保留位 j* * p 4 f m 、 m 1 n z z h 7 图表1 1 控制域组成 数据长度码d l c ( d a t al e n g t hc o d e ) 指出数据域的字节数目。数据长度 码为4 位，在控制域中被发送。 数据域 数据域由数据帧中被发送的数据组成，它可以包括从0 至8 个字节，每个 字节包括8 位，其中首先发送最高有效位。 c r c 域 c r c 域包括c r c 序列，后随c r c 界定符。c r c 域组成如图表1 2 ： 图表1 2c r c 域组成 用于帧校验的c r c 序列由特别适用于位数小于1 2 7 位帧的循环冗余码校验 ( b c h 码) 驱动。为实现c r c 计算，被除的多项式被定义为这样一个多项式， 其系数由帧起始、仲裁域、控制域、数据域( 如果存在) 和1 5 位最低系数为0 组成的解除填充的位流给定。此多项式被下列生成多项式： x 1 5 + x 1 4 + x l o + x 8 + f + x 4 + x 3 + 1 除( 系数按模2 计算) ，该多项式相除的余数即 为发至总线的c r c 序列。 a c k 域 a c k 域为两位，包括a c k 间隙和a c k 界定符。a c k 域组成如图表1 3 ： 图表1 3a c k 域组成 发送节点的a c k 域中，送出两个“隐性”位。在a c k 间隙内，所有接收 到匹配c r c 序列的节点，以“显性”位改写发送器的“隐性”位送出一个应答。 a c k 界定符为a c k 域的第二位，其必须是“隐性”位，因此a c k 间隙被两 “隐性”位所包围。 帧结束 每个数据帧和远程帧均由7 个“隐性”位构成的标志序列界定。 2 m a c 远程帧 激活为数据接收器的节点可以通过发送一个远程帧启动源节点发送各自的 数据。m a c 远程帧由6 个不同的域构成，其组成如图表1 4 ： 图表1 4m a c 远程帧组成 同数据帧相反，远程帧的r t r 位是“隐性”。远程帧不存在数据域。d l c 的数据值是独立的，它可以被标注为允许范围0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 中 的任何数值。这一数值为对应数据帧的d l c 。 r t r 位极性指出所发送帧为数据帧( r t r 位为“显性”) ，还是远程帧( r t r 位为“隐性”) 。 3 m a c 出错帧 m a c 出错帧由两个不同域构成，第一个域由来自不同节点的错误标志叠 加给出，第二个域为错误界定符。出错帧组成如图表1 5 ： i _ 错误标志_ 一 _ 一错误叠加标志+ 一错误界定符+ 图表1 5 出错帧组成 错误标志 有两种错误标志形式：活动错误标志和认可错误标志。前者由六位连续的 “显性”位构成；后者由六位连续的“隐性”位构成。认可错误标志的一些或 所有位可由来自其它节点的“显性”位改写。 一个检测到出错状态的“错误一激活”节点，借助发送活动错误标志来标 注。此错误标志形式有违填充规则或者破坏了要求固定形式的域。这样，所有 其它节点将检测到一个出错条件，并在它们的部件上开始发送一个错误标志。 因此，实际上总线上监控到的“显性”位序列是由各个节点发送的不同错误标 志叠加而成。此序列的总长度在最小值6 与最大值1 2 位之间变化。 错误界定符 错误界定符由8 位“隐性”位构成。发送错误标志后，每个节点送出“隐 性”位，并监控总线，直至其检测到“隐性”位。此后，它开始发送剩余的7 个“隐性”位。 4 m a c 超载帧 存在两类具有相同格式的超载帧：l l c 要求的超载帧和重激活超载帧，前 者为l l c 子层所要求，以表明内部超载状态，后者将由m a c 子层的一些出错 条件而被启动发送。 m a c 超载帧包括两个域：超载标志和超载界定符。超载标志的完整形式 相应于活动错误标志，超载界定符与错误界定符具有相同形式。m a c 超载帧 组成如图表1 6 ： 1 7 | + 一超载标志叫 一超载叠加标志 + 一超载界定符 图表1 6m a c 超载帧组成 超载标志 超载标志由6 个“显性”位构成。由于超载标志形式破坏了发送域的固定 形式，因此，所有其它节点将检测到一个超载条件，并在其部件上开始发送一 个超载标志。 超载界定符 超载界定符由8 位“隐性”位构成。发送超载标志后，每个节点均监控总 线，直至检测到“隐性”位。此时，每个节点完成送出其超载标志，并且所有 节点开始同时发送剩余的7 个“隐性”位，以完成8 位长度超载界定符。 5 帧间间隔 数据帧和远程帧同前述的任何帧( 数据帧、远程帧、出错帧、超载帧) 以 称之为帧间间隔的域隔开。与此相反，超载帧和出错帧前面不存在帧间间隔， 并且多个超载帧也不用帧间间隔分隔。 帧间间隔包括间歇域和总线空闲域，并且对于先前帧已发送“错误认可