（电路与系统专业论文）基于can总线的指令电话的设计与实现.pdf

重庆人学硕士学位论文中文摘要 摘要 c a n ( c o n t r o l l e ra l e an e t w o r k ) 即控制器局域网，是一种支持分布式控制或 实时控制的串行通讯网络的现场总线。作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、 成本合理的远程网络通讯控制方式，它已被广泛应用到各个自动化控制系统中。 在工业通信中，要求数据传输满足及时性和系统响应的实时性。因为工业网 络强调在工业环境下数据传输的完整性，对于工作在恶劣的工业生产现场的通信 网络，必须解决环境适应性问题。在工业现场的通话应该保证通话的实时性，延 迟可能会产生指挥失败或失效。其次要保证语音数据在通信线路上的容错性，在 工业现场，往往由于各种干扰，使接收端收到的信息出现错误，若是语音数据出 现错误，会造成语音含糊不清或出现歧义。而且，有的时候，数据的保密性也是 非常重要的。传统电话通信系统包括终端设备、传输设备、交换设备。要保证任 何用户都能对电话网内所有其他用户建立电话通信，就要依靠电话交换机为每一 个用户建立呼叫连接，采用电话交换机后，每一部电话都需要一对传输线与交换 机连接。如果在工业现场采用传统电话，因为传统电话通话需要交换机和路由器， 因此在线路上会复杂不少，布线成本大大增加。而对讲机则抗干扰性能较低，难 以达到工业要求的抗扰性，而且保密性差。 本文设计了一种将c a n 总线用于工业现场语音通信的系统。c a n 具有出错 帧自动重发功能，可靠性高，信号传输用短帧结构，受干扰的概率低，具有极好 的检错功能。语音数据的实时性和正确性可得到良好保证。另外，c a n 总线通信 介质可采用双绞线，无特殊要求，节点扩展灵活，现场布线和安装都非常简单， 后期也易于维护，成本大大降低。最重要的是，c a n 没有传统的站地址编码，而 对数据块进行编码，因此可以不用交换机进行通信，而且整个系统只需要两条线 连接起来而摆脱了传统电话大捆的布线。 该系统硬件以a r m 7 为平台，搭载语音编解码，语音压缩，c a n 通信，1 2 c 键盘等模块。利用$ 3 c 4 4 8 0 丰富的外设，构建了一个以a r m 为核心的，从语音 采集到语音压缩和解压，再到c a n 数据收发通信的硬件环境。并且本文介绍了整 个系统软件的流程及各个功能模块的软件实现方法。测试结果表明该系统能够完 成预期的所有功能，并且稳定可靠。 关键词：c a n 总线，语音通信，工业通信 a b s t r a c t c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) o rc o n t r o l l e ra r e an e t w o r ki s ad i s t r i b u t e d c o n t r o lo rr e a l t i m ec o n 仃o lo ft h es e r i a l f i e l db u sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a sa t e c h n o l o g i c a l l ya d v a n c e d ，h i 曲r e l i a b i l i t y , f u n c t i o np e r f e c t ，c o s t - e f f e c t i v e r e m o t e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nc o n t r o lm o d e ，i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt ov a r i o u sa u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e m s i ni n d u s t r i a lc o m m u n i c a t i o n , d a t at r a n s m i s s i o nr e q u i r e dt om e e tt i m e l i n e s sa n dt h e r e a l - t i m es y s t e mr e s p o n s e e m p h a s i so ni n d u s t r i a ln e t w o r k si ni n d u s t r i a le n v i r o n m e n t s t h ei n t e g r i t yo fd a t at r a n s m i s s i o n , c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw o r k si nt h ef i e l do fp o o r i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , i ti sn e c e s s a r yt oa d d r e s st h ei s s u eo fe n v i r o n m e n t a la d a p t a t i o n t h ec a l lt h ei n d u s t r i a ls c e n es h o u l db ee n s u r e dt h a tc a l l si sr e a l - t i m e ，t h ed e l a ym a y r e s u l ti nt h ef a i l u r eo fc o m m a n d s e c o n d l y , i tm u s te n s u r et h ef a u l t t o l e r a n c eo fv o i c e a n dd a t ac o m m u n i c a t i o no nt h el i n e s i nt h ei n d u s t r i a ls c e n e ，o f t e na sar e s u l to fv a r i o u s k i n d so fi n t e r f e r e n c e ，s ot h a ti n f o r m a t i o nr e c e i v e db yt h er e c e i v e re r r o r t h ev o i c ed a t a e r r o r sc a nc a u s ea m b i g u i t i e s o r d i s c r e p a n c y m o r e o v e r , i ns o m ec a s e s ，t h e c o n f i d e n t i a l i t yo fd a t ai sa l s ov e r yi m p o r t a n t t r a d i t i o n a lt e l e p h o n ec o m m u n i c a t i o n s s y s t e mi n c l u d e st e r m i n a le q u i p m e n t ，t r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t , s w i t c h i n ge q u i p m e n t t o e n s u r et h a ta n yu s e r so ft h et e l e p h o n en e t w o r kc a l lc o m m t m i c a t i o nw i t ha l lo t h e ru s e r s ， i ti sn e c e s s a r yt or e l yo nt h et e l e p h o n es w i t c h b o a r d t h eu s eo ft e l e p h o n ee x c h a n g e s ， e a c hp h o n ew i l ln e e dap a i ro ft r a n s m i s s i o nl i n e st oc o n n e c tt ot h es w i t c h e s i fu s e t r a d i t i o n a lp h o n ec a l l si nt h ei n d u s t r i a lf i e l d ，b e c a u s eo ft h en e e df o rt r a d i t i o n a lp h o n e s w i t c h e sa n dr o u t e r s 。s ot h e r ew i ub eal o to fc o m p l e xl i n e ，a n dt h ec o s to fr o u t i n g g r e a t l yi n c r e a s i n g h o w e v e rt h ew a l k i e - t a l k i eh a sa l o w e ra n t i - i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c e ， i ti sp o o ri nc o n f i d e n t i a l i t ya n dd i f f i c u l tt om e e tt h ei m m u n i t yr e q u i r e m e n t s t l l i sp a p e rd e s i g n sa ni n d u s t r i a l - s i t ev o i c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s ec a n b u s c a nh a se r r o rf r a m ea u t o m a t i cr e m a d ef e a t u r e s ，h i 曲r e l i a b i l i t ya n ds i g n a l t r a n s m i s s i o nw i t hs h o r t f r a m es t r u c t u r e ，l o wp r o b a b i l i t yo fi n t e r f e r e n c e ，e x c e l l e n te r r o r d e t e c t i o np e r f o r m a n c e ，s ot h er e a l - t i m ea n da c c u r a c yo fv o i c ec a nb eg u a r a n t e e d i n a d d i t i o n , c a nb u sc o m m u n i c a t i o nm e d i u mm a yb e t w i s t e d p a i r , n os p e c i a l r e q u i r e m e n t s ，f l e x i b i l i t yt oe x p a n dt h en o d e ，r o u t i n ga n di n s t a l l a t i o na r ev e r ys i m p l e ，i s a l s oe a s yt om a i n t a i n ，t h ec o s tg r e a t l yr e d u c e d 1 1 1 em o s ti m p o r t a n tt h i n gi s ，c a n e n c o d et h ed a t ab l o c ki n s t e a do ft r a d i t i o n a ls t a t i o n sa d d r e s se n c o d i n g t h e r e f o r ei tc a n c o m m u n i c a t ew i t h o u tt e l e p h o n es w i t c h b o a r da n dt h ee n t i r es y s t e mo n l yn e e dt oc o n n e c t t ot w ol i n e sa n d g e tr i do ft h et r a d i t i o n a ll a r g eb u n d l e so fw i r i n g t h es y s t e mh a r d w a r eh a sap l a t f o r mo na r m 7 ，埘t hv o i c ec o d e cm o d u l e s v o i c e c o m p r e s s i o nm o d u l e s ，c a nc o m m u n i c a t i o n sm o d u l e s ，1 2 ck e y b o a r dm o d u l e s ，e t c u s e o f $ 3 c 4 4 8 0e x t e n s i v ep e r i p h e r a l s ，b u i l tah a r d w a r ee n v i r o n m e n tt h a tc o r e 弱a r m f r o mt h ev o i c ec o m p r e s s i o na n dd e c o m p r e s s i o no fv o i c e ，t ot h ed a t at r a n s m i s s i o na n d r e c e p t i o n0 1 1c a nb u s t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e dt h ew h o l es y s t e m ss o i h v a r e p r o c e s s e sa n ds o t w a r ei m p l e m e n tm e t h o do fe a c hf u n c t i o nm o d u l e t e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h es y s t e mi se x p e c t e dt oc o m p l e t ea l lo ft h ef e a t u r e s ，a n dw o r k s s t a b l ya n dr e l i a b l y k e y w o r d s ：c a nb u s ，v o i c ec o m m u n i c a t i o n , i n d u s t r i a lc o m m u n i c a t i o n i i i 学位论文独创性声明 本人 声明所 呈 交的石及 士 学位 论文 堑幽塞鸯鱼鸯龇遂哟宴塑j 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 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。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。 学位论文作者签名：公琦 导师签名： 匍泖 签字日期：刈降6 月f 目 签字日期：加。7 耳月i 罚 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称c 章程”) ，愿意将本人的丕五虹学位论文堑鲻塞糊她型喇盎 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：金匮 导师签名： z 6 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书”，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书! 豳装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文 1绪论 1绪论 1 1 引言 c a n 是控制网络( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 的简称，它是一种支持分布式控制或 实时控制的串行通讯网络的现场总线i lj 。它由德国b o s c h 公司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数据通信协议总线。因为 当时没有一种现成的网络方案能够完全满足汽车工程师们的要求。c a n 总线提出 的初衷就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，增加新功能使其能够应用于产品。这种基于非破坏的仲裁机制，能确 保高优先级的报文无延迟传输。该错误检测也包括自动断开故障节点功能，以确 保能继续进行剩余节点之间的通讯。传输的报文并非根据报文发送器接收器的节 点地址识别，而是根据报文的内容识别。1 9 9 3 年，c a n 已成为国际标准i s 0 1 1 8 9 1 2 1 。 并且它以其卓越的性能、极高的可靠性和低廉的价格，越来越受到工业界的重视。 c a n 总线主要具有以下特性【3 ，4 l ： ( 1 )c a n 的直接通信距离在速率5 k b s 以下时，最远可达1 0 千米；在通信 速率最高为1 m b s 时，通信距离为4 0 米。 ( 2 )c a n 网络上的信息可分成不同的优先级，满足不同的实时性要求。 ( 3 )c a n 采用多主方式工作，网络上任意节点不分主从，均可以在任意时 刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而且通讯方式灵活，无需站地 址等节点信息。 ( 4 )c a n 采用非破坏性总线裁决技术，在多个节点对总线发送信息出现冲 突时，低优先级的节点会主动退出发送而保证高优先级的节点的信息传 输，因此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情况。 ( 5 )c a n 只需通过报文滤波即可以实现点对点、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 。 ( 6 )c a n 协议废除了传统的站地址编码，而对通讯数据块进行编码，使网 络中的节点个数在理论上不受限制，当然，由于总线驱动电路的限制， 目前可达到的最大节点数为1 1 0 个。 ( 7 )c a n 总线每帧信息都有c r c 校验和其他检错措施，保证了极低的错误 率。 ( 8 )c a n 节点在错误达到一定程度的时候具有自动关闭输出功能，以使总 线以上其他节点的操作不受影响。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( 9 )c a n 的通讯介质可以为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 ( 1 0 ) c a n 总线具有较高的性能价格比。它结构简单，器件容易购置，每个 节点的价格较低，而且开发较简单。 1 2 国内外研究及发展状况 目前全球化市场竞争异常激烈，企业逐渐开始实施计算机集成制造系统，采 用系统集成、信息集成的方式来组织工业生产。在这个系统中，为了实现现场智 能设备之间的多点数字通信和数据交换，计算机测控技术与计算机网络被紧密地 结合在一起，从而产生了能在工业现场环境可靠地运行而且造价低廉的现场总线 技术。虽然当初研究c a n 的起点是应用于客车系统，但c a n 得第一个市场应用 却来自于其他领域。特别是是在北欧，c a n 早已得到非常普遍的应用。在荷兰， p h i l i p s 医疗系统决定使用c a n 构成x 光机的内部网络，成为c a n 的工业用户。 尽管c a n 协议已经有二十几年的历史，但它仍处于改进之中。从2 0 0 0 年开 始，一个由数家公司组成的i s o 任务组织定义了一种时间触发c a n 报文传输的协 议。b e m dm u e l l e r 博士、t h o m a sf u e h r e r 、b o s h 公司人员和半导体工业专家、学 术研究专家将此协议定义为时间触发通信的c a n “t t c a n ，计划在将来标准化 为i s 0 11 8 9 8 4 t 3 1 。 随着自动化技术的应用越来越趋于方案化和系统化，发生于国际自动化巨头 之间的博弈，已经从产品技术本身的较量，转为工业通讯标准之间的较量。可靠、 高效、经济依然是他们对于自动化系统本身最基本的要求。 作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方 式，c a n 总线已被广泛应用到各个自动化控制系统中1 5 】。例如，在汽车电子、自 动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等各领域，c a n 总线都具有不可比拟的 优越性。 工业数据通信的内容多种多样，比如生产装置运行参数的测量值、控制量等。 工业数据通信系统在声场设备之间传递数字信息，是工厂自动化系统的基础和支 撑条件，是工业控制网络技术的重要组成部分【6 1 。工业通信网络包括现场总线技术 和控制网络技术。现场总线技术本质上也是一种控制网络，因此，网络技术基础 是现场总线的重要基础，在完整的企业网构架中，从底向上依次为现场控制网络、 过程控制网络监控网络、管理信息网【。7 1 。 语音通信，一共经历了从最开始的路由器语音模块组网到软交换体系组网三 代的发展。第一代是路由器语音模块组网时代，路由器语音模块的方式普遍基于 h 3 2 3 协议实现语音通信，实现起来比较复杂，开发和生产成本都比较高，造成路 由器语音模块造价过高，不适宜大规模推广，而且组网规模有限，不适合大规模 2 重庆人学硕十学位论文 1 绪论 语音网络的组建。第二代为专有语音网关组网，专有语音网关设备独立组网的模 式迈出了业务与承载分离的重要一步，解决了路由器语音模块组网的部分问题， 但是它没有从根本上解决号码管理的问题，而且网络规模逐渐的扩大，整个语音 网络的设计和管理仍然显得非常复杂，而且每增加一种业务都要做相应的软件升 级，业务的提供非常局限，升级比较繁琐。第三代的软交换体积组网，解决了传 统语音方案中的管理问题、业务问题、成本问题等，使得语音的管理，业务提供 均能达到电信级的标准，实现了电信级的电话号码统一管理，网管的复杂性大幅 度降低瞵j 。 电话通信系统包括终端设备、传输设备、交换设备。传统电话要保证任何用户 都能对电话网内所有其他用户建立电话通信，这就要依靠电话交换机为每一个用 户建立呼叫连接，采用电话交换机后，每一部电话都需要一对传输线与交换机连 接【9 1 。 1 3 课题的提出和意义 在工业通信中，要求数据传输满足及时性和系统响应的实时性。因为工业网 络强调在工业环境下数据传输的完整性，对于工作在恶劣的工业生产现场的通信 网络，必须解决环境适应性问题，它包括电磁环境适应性或电磁兼容性( e m c ) 、气 候环境适应性( 耐温、防水、防尘) 、机械环境适应性( 耐冲击、耐振动) 例。在工业 现场的通话应该保证通话的实时性，延迟可能会产生指挥失败或失效。其次要保 证语音数据在通信线路上的容错性，在工业现场，往往由于各种干扰，使接收端 收到的信息出现错误，若是语音数据出现错误，会造成语音含糊不清或出现歧义。 而且，在有的时候，数据的保密性也是非常重要的。如果采用传统电话，因为传 统电话通话需要交换机和路由器，因此在线路上会复杂不少，布线成本大大增加。 用对讲机则抗干扰性能较低，难以达到工业要求的抗扰性，而且保密性差。 c a n 总线用于语音通信的优点有：它在波特率5 k b p s 时，通信距离可达1 0 千 米，可以保证足够远的通信距离；它最高速度可达1 m b i t s ，通话的实时性也可以 得到保证。c a n 具有出错帧自动重发功能，可靠性高，信号传输用短帧结构，受 干扰的概率低，具有极好的检错功能。语音数据的实时性和正确性可得到良好保 证。另外，c a n 总线通信介质可采用双绞线，无特殊要求，节点扩展灵活，现场 布线和安装都非常简单，后期也易于维护，成本大大降低。最重要的是，c a n 没 有传统的站地址编码，而对数据块进行编码，因此可以不用交换机进行通信，而 且整个系统只需要两条线连接起来而摆脱了传统电话大捆的布线。 该系统可以用于工业生产现场的语音通信指挥或进行电话会议，具有布线简 单，维护方便，扩展灵活的特点，只要把语音节点挂在总线上就可以很方便地进 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 行语音通信。功能上能够进行拨号呼叫，可以进行一对一通话，也可以群组呼叫 或广播呼叫。同一网络中可容纳多对用户同时独立地通话。 1 4 本课题的主要工作 课题对c a n 总线进行了研究和分析，完成了从芯片选型到原理图电路板绘制， 再到底层驱动和上层软件的编写调试工作。 硬件部分包含的主要内容有主控制器和外围接口，c a n 总线模块，语音编解 码模块，语音压缩模块，1 2 c 键盘模块，l c d 显示模块等。 软件部分主要是处理语音数据的采集压缩，打包发送到c a n 总线，并从c a n 总线接收解包，解压缩并播放以及外围设备和整个系统的协调工作。 4 重庆大学硕士学位论文 2c a n 总线协议介绍 2c a n 总线协议介绍 2 1 基本概念 控制器局域网( c a n ) 为串行通讯协议，能有效地支持具有很高安全等级的 分布实时控制。c a n t l 0 1 的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路接线都可 以使用c a n 。在汽车电子行业里，使用c a n 连接发动机控制单元、传感器、防 刹车系统、等等，其传输速度可达1 m b i t s 。同时，可以将c a n 安装在卡车本体 的电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等等，用以代替接线配线装置。 为了达到设计透明度以及实现柔韧性，c a n 被细分为以下不同的层次： c a n 对象层( t h eo b j e c tl a y e r ) c a n 传输层( t h et r a n s f e rl a y e r ) 物理层( t h ep h y i c a ll a y e r ) 对象层和传输层包括所有由i s o o s i 模型定义的数据链路层的服务和功能。 对象层的作用范围包括： 查找被发送的报文。 确定由实际要使用的传输层接收哪一个报文。 为应用层相关硬件提供接口。 在这里，定义对象处理较为灵活。传输层的作用主要是传送规则，也就是控 制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。总线上什么时候开始发 送新报文及什么时候开始接收报文，均在传输层里确定。位定时的一些普通功能 也可以看作是传输层的一部分。理所当然，传输层的修改是受到限制的。 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传 输。当然，同一网络内，物理层对于所有的节点必须是相同的。尽管如此，在选 择物理层方面还是很自由的。 c a n 具有以下的属性： 报文的优先权 保证延迟时间 设置灵活 时间同步的多点接收 系统宽数据的连贯性 多主机 错误检测和标定 只要总线一处于空闲，就自动将破坏的报文重新传输 5 重庆大学硕士学位论文 2c a n 总线协议介绍 点 将节点的暂时性错误和永久性错误区分开来，并且可以自动关闭错误的节 应用层 对象层： 报文滤波 报文和状态的处理 传输层： 故障界定 错误检测和标定 报文校验 应答 仲裁 报文分帧 传输速率和定时 物理层： 信号电平和位表示 传输媒体 图2 1c a n 节点的层结构 f i 9 2 1t h es t r u c t u r eo fc a nb u s 物理层定义实际信号的传输方法。本技术规范没有定义物理层，以便允许根 据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 传输层是c a n 协议的核心。它把接收到的报文提供给对象层，以及接收来自 对象层的报文。传输层负责位定时及同步、报文分帧、仲裁、应答、错误检测和 标定、故障界定。 对象层的功能是报文滤波以及状态和报文的处理。 c a n 总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11 位或2 9 位标 识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。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。通过使用了识别符的逐位仲裁可以解决这个冲突。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 6 重庆大学硕士学位论文 2c a n 总线协议介绍 性 电平而监视的是一“显性 电平，那么单元就失去了仲裁，必须退出发送状 态。c a n 总线状态取决于二进制数“0 而不是“1 ，所以标识符越小，则该报文 拥有越高的优先权。 c a n 具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用，这 些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。这种方法在网络负载较 重时有很多优点，因为总线读取的优先级己被按顺序放在每个报文中了，这可以 保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。 对于主站的可靠性，由于c a n 协议执行非集中化总线控制，所有主要通信， 包括总线读取控制，在系统中分几次完成。这是实现有较高可靠性的通信系统的 唯一方法。 c a n 实现总线分配的方法，可保证当不同的站申请总线存取时，明确地进行 总线分配。这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。 不同于e t h e m e t 网络的消息仲裁，c a n 的非破坏性解决总线存取冲突的方法，确 保在不传送有用消息时总线不被占用。甚至当总线在重负载情况下，以消息内容 为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统。虽然总线的传输能力不足，所有 未解决的传输请求都按重要性顺序来处理。在c s m a c d 这样的网络中，如 e t h e m e t ，系统往往由于过载而崩溃，而这种情况在c a n 中不会发生。 2 2 报文传输 有两种不同的帧格式，不同之处为识别符场的长度不同：具有1 1 位识别符的 帧称之为标准帧。而含有2 9 位识别符的帧为扩展帧。 报文传输由以下4 个不同的帧类型所表示和控制： 数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。 错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 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。 数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式。它们用一个帧间空间与 前面的帧分隔。 2 2 1 数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成：帧起始( s t s r to f f r a m e ) 、仲裁场( a r b i t r a t i o n f r a m e ) 、控制场( c o n t r o lf r a m e ) 、数据场( d a t af r a m e ) 、c r c 场( c r cf r a m e ) 、 应答场( a c kf r a m e ) 、帧结尾( e n do f f r a m e ) ，如图2 2 。数据场的长度可以为0 。 7 重庆人学硕士学位论文 2c a n 总线协议介绍 i n t e r f r a m ei n t e r f r a m e ! 旦! 竺山 一一竺尘竺一一 山! 旦竺 i i i i i i i i i i i i i i l s t a r to ff r a m e l c o n t r o lf i e l dd a t af i e l dc r cf i e l da c kf i e l d f a r b i t r a t i o nf i e l de n do ff r a m e 图2 2 数据帧结构 f i 9 2 2t h es t r u c t u r eo fd a t af r a m e 帧起始( s o f ) 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( 信号) 。所有的站必须同步于首先开始发送报文的 站的帧起始前沿。 标准格式帧与扩展格式帧的仲裁场格式不同，如图2 3 ，图2 4 。标准格式里， 仲裁场由1 1 位识别符和r t r 位组成。识别符位由i d 2 8 i d 1 8 。扩展格式里，仲 裁场包括2 9 位识别符、s r r 位、i d e 位、r t r 位。其识别符由i d 2 8 i d 0 。 | 竺竺竺 扯竺竺璺- | 墨 s i r o 1 1b i t si d e n t i f i e r t d r 0d l c f r e 图2 3 标准格式仲裁场 f i 9 2 3c o n t r o lf i e l do fs t a n d a r df o r m a t ! sii ：l 豇三韭u ! l 图2 4 扩展格式仲裁场 f i 9 2 4c o n t r o lf i e l do fe x t e n d e df o r m a t 控制场由6 个位组成，如图2 5 。标准格式的控制场格式和扩展格式的不同。 标准格式里的帧包括数据长度代码、i d e 位、及保留位r o 。扩展格式里的帧包括 数据长度代码和两个保留位：订和r 0 。其保留位必须发送为显性，但是接收器认 可“显性 和“隐性 位的组合。 8 重庆大学硕士学位论文 2c a n 总线协议介绍 i c o n t r o lf i e l d i i s t a n d a r df o r m a ta n de x t e n d e df o r m a t i i d e r 1 r 0 d l c 3d l c 2 d l c ld l c 0 1，r r e s e r v e db i t s d a t a l e n g t hc o d e 图2 5 控制场结构 f i 9 2 5t h es t r u c t u r eo fc o n t r o lf i e l d 数据长度代码指示了数据场里的字节数量。数据长度代码为4 个位，它在控 制场里发送。数据长度代码中数据字节数的编码格式如表2 1 所示。 d _ “隐性” r = “显性” 数据场由数据帧里的发送数据组成。它可以为o 8 个字节，每字节包含了8 个位，首先发送m s b 。 c r c 场包括c r c 序列( c r cs e q u e n c e ) ，其后是c r c 界定符( c r c d e l i m i t e r ) ，由循环冗余码求得的帧检查序列最适用于位数低于1 2 7 位( b c h 码) 的帧。进行c r c 计算的被除的多项式系数由无填充位流给定，组成这些位流 的成分是：帧起始、仲裁场、控制场、数据场( 假如有) ，而1 5 个最低位的系数 是0 。将此多项式用下面的多项式发生器作除( 其系数以2 为模) ： x 1 5 + x 1 4 + x 1 0 + x 8 + x 7 + x 4 + x 3 + 1 ( 2 1 ) 9 萎一 一一d d d d d d d d ， 一耋|1。2 3 4 5 6 7 8 重庆人学硕士学位论文 2 c a n 总线协议介绍 这个多项式除法的余数就是发送到总线上的c r c 序列。为了实现这个功能， 可以使用1 5 位的位移寄存器c r cr g ( 1 4 ：0 ) 。如果n x t b i t 指示位流的下一位， 那么从帧的起始到数据场末尾都由没有填充的位顺序给定。c r c 序列的计算如下： c r cr g = o ；初始化移位寄存器 r e p e a t c r c n x t = n x t b i te x o rc r c _ r g ( 1 4 ) ； c r c _ r g ( 1 4 ：1 ) = c r c _ r g ( 1 3 ：0 ) ； 寄存器左移一位 c r c _ r g ( o ) = 0 ； i fc r c n x tt h e n c r c _ r g ( 1 4 ：0 ) = c r c _ r g ( 14 ：0 ) e x o r ( 4 5 9 9 h e x ) ； e n d i f u n t i l ( c r c 序列起始或有一错误条件) 在传送接收数据场的最后一位以后，c r cr g 中包含的即为c r c 顺序。 应答场长度为2 个位，如图2 6 ，包含应答间隙( a c ks l o t ) 和应答界定符 ( a c kd e l i m i t e r ) 。在a c k 场( 应答场) 里，发送站发送两个“隐性 位。当 接收器正确地接收到有效的报文，接收器就会在应答间隙( a c ks l o t ) 期间( 发 送a c k 信号) 向发送器发送一“显性位以示应答。应答界定符是应答场的第二 个位，并且是一个必须为“隐性的位。因此，应答间隙( a c ks l o t ) 被两个“隐 性”的位所包围，也就是c r c 界定符( c r cd e l i m i t e r ) 和应答界定符( a c k d e i ，i m i t e r ) 。 c r cf i e l d l a c kf i e l d ie n do ff r a m e l a c ks l 。t l a c k d e l i m i t e r l 图2 6 应答场结构 f i 9 2 6t h es t r u c t u r eo f a c kf i e l d 每一个数据帧和远程帧均由帧结尾定界。帧结尾由7 个“隐性”的位组成。 2 2 2 远程帧 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。远程帧也有标准格式和扩展格式，而且都由6 个不同的位场组成：帧 起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场、帧结尾，如图2 7 。 1 0 重庆大学硕+ 学位论文 2c a n 总线协议介绍 与数据帧相反，远程帧的r t r 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o 8 的任何数值) 。此数值是相应 于数据帧的数据长度代码。 。哩塑些骂卜塑型竺e _ 挫幽a c e i iii s o f l c o n t r o lf i e l d a r b i t r a t i o nf i e l d 图2 7 远程帧结构 f i 9 2 7t h es t r u c t u r eo fr e m o t ef r a m e 2 2 3 错误帧 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( e i 汛o r f l a g ) 的叠加，第二个场是错误界定符，如图2 8 所示。 里苎呈堕竺! 一山里! 竺= ! ! 竺竺| 0 坐竺皇皇旦堡鱼a c e e r r o rf l a g i 卜面丽忑蕊丽磊鬲虿1 e 啪rd e l i m i t e r 图2 8 错误帧结构 f i g a 8t h es t r u c t u r eo fe r r o rf r a m e 为了能正确地终止错误帧，一“错误被动的节点要求总线至少有长度为3 个位时间的总线空闲( 如果“错误被动”的接收器有局部错误的话) 。因此，总线 的载荷不应为1 0 0 。 错误标志有主动的错误标志和被动的错误标志两种。主动的错误标志由6 个 连续的“显性 位组成。被动的错误标志由6 个连续的“隐性”的位组成，除非 被其他节点的“显性”位重写。检测到错误条件的“错误激活 的站通过发送主 动错误标志指示错误。错误标志的形式破坏了从帧起始到c r c 界定符的位填充的 规则，或者破坏了a c k 场或帧结尾场的固定形式。所有其他的站由此检测到错误 条件并与此同时开始发送错误标志。因此，“显性”位( 此“显性”位可以在总线 e mmft i l o l d i 卧出f l ki(-)a de i fc r c 重庆大学硕士学位论文 2c a n 总线协议介绍 上监视) 的序列导致一个结果，这个结果就是把个别站发送的不同的错误标志叠 加在一起。这个序列的总长度最小为6 个位，最大为1 2 个位。 检测到错误条件的“错误被动 的站试图通过发送被动错误标志指示错误。“错 误被动 的站等待6 个相同极性的连续位( 这6 个位处于被动错误标志的开始) 。 当这6 个相同的位被检测到时，被动错误标志的发送就完成了。 错误界定符包括8 个“隐性”的位。错误标志传送了以后，每一站就发送“隐 性 的位并一直监视总线直到检测出一个“隐性”的位为止。然后就开始发送其 余7 个“隐性 位。 2 2 4 过载帧 过载帧包括两个位场：过载标志和过载界定符。有三种过载的情况，这三种 情况都会引发过载标志的传送： 接收器的内部情况( 此接收器对于下一数据帧或远程帧需要有一延时) 。 在间歇的第一和第二字节检测到一个“显性 位。 如果c a n 节点在错误界定符或过载界定符的第8 位( 最后一位) 采样到 一个显性位，节点会发送一个过载帧( 不是错误帧) 。错误计数器不会增加。 根据过载情况1 而引发的过载帧只允许起始于所期望的间歇的第一个位时间， 而根据情况2 和情况3 引发的过载帧应起始于所检测到“显性位之后的位。 通常为了延时下一个数据帧或远程帧，两种过载帧均可产生。过载帧的结构 如图2 9 所示。 e n do f f r a m eo r e r r o rd e l i m i t e r0 f i n t e r f r a m e o v e r l o a dd e l i m i t e r 1 o v e r l o a df m m e s p a c eo r o v e r