6CAN总线.ppt

CAN总线 CAN总线简介 CAN是控制器局域网络 ControllerAreaNetwork CAN 的简称 是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的 并最终成为国际标准 高速应用ISO11898 低速应用ISO11519 是国际上应用最广泛的现场总线之一 在北美和西欧 CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线 CAN总线特点 1 CAN是一种多主方式的串行通讯总线 任一节点可以在任意时刻向网络上的其他节点发送信息 不分主从 通信方式灵活 2 节点 信息 可分成不同的优先级 可以满足不同的实时要求 3 采用非破坏性位仲裁机制 当多个节点同时发起通信时 优先级低的节点主动停止数据发送 而优先级高的节点可继续传送数据 不会对通信线路造成阻塞 4 可以点对点 一点对多点及全局广播几种传送方式 CAN总线特点 5 通信距离最远可达10KM 速率低于5Kbps 速率可达到1Mbps 通信距离小于40M 6 节点数实际可达110个 7 采用短帧结构 每一帧有效字节数为8个 8 CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施 保证了极低的数据出错率 9 传输介质可以是双绞线 同轴电缆或光纤 10 节点在出现严重错误的情况下 具有自动关闭的功能 CAN总线优点 CAN是一种多主方式的串行通讯总线 基本设计规范要求有高的位速率 高抗电磁干扰性 而且能够检测出产生的任何错误 它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络 CAN网络具有反应快 可靠度高的特性 可应用于要求实时处理的场合 例如汽车刹车防锁死系统 安全气囊等 CAN总线优点 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 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 它在汽车领域上的应用是最广泛的 此外在自动控制 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也获得了一定的应用 CAN总线规范 最新的CAN总线规范是CAN2 0 分为CAN2 0A和CAN2 0B CAN2 0A 标准报文格式 CAN2 0B 标准报文格式和扩展报文格式 CAN规范 CAN总线物理特性 CAN传输可以采用双绞线 两条线分别被称为CAN High和CAN Low 或者简称为CAN H CAN L 其绞距为20mm 截面积为0 35mm2或0 5mm2通过两条线上的电压差来表示0和1 差分传输 CAN总线物理特性 1 CAN总线电平信号逻辑0 显性 CAN H对应是3 5V CAN L对应是1 5V逻辑1 隐性 CAN H对应是2 5V CAN L对应是2 5V CAN总线物理特性 通常情况下 CAN H标准电压 隐性为2 6V左右 显性为3 8V左右CAN L标准电压 隐性为2 4V左右 显性为1 2V左右 CAN总线仲裁机制 CAN总线采用的 线与 的规则进行总线冲裁 即1 0 0 所以逻辑 0 为显性电平 逻辑 1 为隐性电平 总线空闲时 任何节点可以开始发送报文 总线上每条报文都具有唯一的一个11位或29位标识符 报文标识符的值越小 报文具有越高的优先权 多个节点同时发送时 总线在 仲裁场 进行 逐位仲裁 传送高优先级报文的节点赢得仲裁 并继续传输报文 失去仲裁的节点在总线空闲时重新传送 CAN总线仲裁机制 CAN总线帧格式及帧类型 1 CAN总线帧格式CAN总线有二种不同的CAN帧格式 标准帧和扩展帧 CAN2 0A协议仅支持标准帧 CAN2 0B协议引入第二种帧格式 它支持标准帧和扩展帧 具有11位标识符的CAN帧称为标准帧 具有29位标识符的CAN帧称为扩展帧 两种帧格式可出现在同一总线上 CAN总线帧格式及帧类型 CAN总线帧类型 CAN总线报文传送主要有四种类型的帧 数据帧 远程帧 错误帧以及过载帧 数据帧 携带数据从发送器至接收器 远程帧 接收单元向发送单元请求发送具有相同标识符数据所用的帧 错误帧 任何单元检测到一个总线错误就发出错误帧 过载帧 用以在先后的数据或远程帧之间提供一个附加的延时 位填充 位填充规则 发送器只要检测到位流里有5个连续相同值的位 便自动在位流里插入补充位 位填充规则只是针对数据帧和远程帧 错误帧和过载帧格式固定 标准数据帧 由7个不同的位场组成 分别是帧起始 仲裁场 控制场 数据场 CRC场 应答场以及帧结束 数据帧用于从发送节点向其他节点发送数据 扩展数据帧 远程帧 远程帧也有二种格式 标准远程帧和扩展远程帧 而且都由6个不同的位场组成 帧起始 仲裁场 控制场 CRC场 应答场 帧结束 扩展远程帧 远程帧中的数据长度代码表示的是所请求数据帧的数据长度代码 错误帧 错误帧用于在接收和发送消息检测到错误时向总线通知错误 该帧由错误标志和错误界定符构成 主动错误标志 它由6个连续的显性位0组成 它是节点主动发送的错误标志 被动错误标志 它由6个连续的隐性位1组成 除非被其他节点的显性位覆盖 过载帧 过载帧用于接收方通知发送方尚未准备好接收数据 过载帧在先行和后续的数据帧 或远程帧 之间提供一个附加的延时 过载帧由过载标志和过载界定符构成 控制段 数据长度代码指示了数据场里的字节数量 共4个位DLC0 DLC3 DLC可以设置0 8的数字表示数据字节数 超过8的数字则认为是8 这种情况并不视为出错 数据段 CRC段 ACK段 当接收节点接收到的帧起始到CRC段都没错误时 它将在ACK段发送一个显性电平 发送节点发送隐性电平 线与结果为显性电平 帧间空间 数据帧或远程帧与先行帧的隔离是通过帧间空间实现的 无论此先行帧类型如何 数据帧 远程帧 错误帧 过载帧 不同的是 过载帧与错误帧之前没有帧间空间 多个过载帧之间不用帧间空间进行分隔 同步 CAN协议采用的是不归零码 NRZ 通讯方式 发送单元与接收单元之间有时可能出现同步偏离 因此接收单元要进行硬同步或者是重同步 以对准时间进行接收 CAN五种错误 CRC错误 发送与接收的CRC值不同发生该错误 格式错误 帧格式不合法发生该错误 应答错误 发送节点在ACK阶段没有收到应答信息发生该错误 位发送错误 发送节点在发送信息时发现总线电平与发送电平不符发生该错误 位填充错误 通信线缆上违反通信规则时发生该错误 当发生这五种错误之一时 发送节点或接受节点将发送错误帧 构建CAN节点 每个节点由微处理器 CAN控制器和CAN收发器组成 CAN收发器和控制器分别对应CAN的物理层和数据链路层 构建CAN节点 CAN控制器SJA1000 SJA1000有两种不同的操作模式 1 BasicCAN模式 这种模式与PCA82C200兼容 支持CAN2 0A协议 2 PeliCAN模式 是新的操作模式 支持CAN2 0B协议 SJA1000硬件结构框图 匹配和接收过滤 CAN收发器82C250 CAN收发器82C250 CAN总线节点软件设计 1 CAN节点初始化 2 报文发送 3 报文接收 CAN节点初始化 SJA1000的初始化主要是对时钟分频器 中断使能寄存器 验收代码寄存器和接收屏蔽寄存器 总线定时器输出控制器等进行配置 它关系着能否成功进行通信的问题 如果配置不当的话 很可能CAN总线不能正常运行 报文的发送 完成对CAN节点的初始化后 便可通过CAN的通信控制器SJA1000向物理总线发送和接收数据 这一过程微处理器和总线通信控制器SJA1000之间的通讯是通过中断方式来实现的 发送数据时用户只需将要发送的数据按照CAN控制器SJA1000所规定的格式组合成一帧报文 送入控制器的发送缓冲区 然后启动SJA1000发送就可以实现 报文的接收 SJA1000对于报文的接收可采用两种方式 即中断接收方式和查询接收方式 CAN协议应用层概述 CAN总线只提供可靠的传输服务 所以节点接收报文时 要通过应用层协议来判断是谁发来的数据 数据代表了什么含义 常见的CAN应用层协议有 CANOpen DeviceNet J1939 iCAN等 Devicenet简介 DeviceNet是由美国Rockwell公司在CAN基础上推出的一种低成本的通信链接 是一种低端网络系统 它将基本工业设备连接到网络 从而避免了昂贵和繁琐的硬接线 DeviceNet是一种简单的网络解决方案 在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时 减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间 DeviceNet的直接互连性不仅改善了设备间的通信 而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能 现场总线模型 DeviceNet总体描述 主干线 分支线结构最多可支持64个节点不用中断网络就可以解除节点同时支持网络供电 传感器 及自供电 执行器 设备使用密封或开放形式的连接器接线错误保护可选的数据速率为125k波特 250k波特以及500k波特 DeviceNet网络拓扑结构 DeviceNet网络电缆 在粗缆和扁平电缆中24V直流电压的最大电流容量是8安培 在细缆中24V直流电压的最大电流容量是3安培 粗缆使用长度限制 DeviceNet通信模式 在现场总线中有两种常用的通信模式 一种是传统的源 目标 Source Destination 即点对点模式 另外一种是新型的生产 消费者 Producer Customer 模式 DeviceNet对象模型 不论是主 从结构 还是点对点通讯结构 基于源 目的地的网络在把同样数据发往不同节点时都消耗了过多带宽 另外要实现协同控制 象以同步的方式将一个设定值同时送达不同的驱动器将更加困难 因为数据到达每个驱动器 目的地 的时间是不同的 ControlNet中采用了一个全新的生产者 消费者网络模型 DeviceNet对象模型 DeviceNet使用 生产者 消费者 通讯模型以及CAN协议 DeviceNet发送节点生产网络上的数据 而DeviceNet接收节点则消费网络上的数据 两个或多个设备之间的通信总是基于连接的通讯模式 DeviceNet对象模型 在生产者 消费者模型中 信息按内容来标识 如果一个节点要接收一个数据 仅仅需识别与此信息相连的特定的标识符 每个数据包不再需要源地址位和目标地址位 因为数据是按内容进行标识的 数据源只需将数据发送一次 许多需用此数据的节点通过在网上同时识别这个标识符 可同时地从同一生产者取用此同一数据 消费者节点之间可实现精确的同步 而且提高了带宽的有效使用率 其它的设备加入网络后并不增加网络负载 因为它们同样可以消费这些相同的信息 当节点发送多个报文时 对每个报文使用不同的标识符 DeviceNet对象模型 DeviceNet通过抽象的对象模型来描述网络中所有可见的数据和功能 一个DeviceNet设备可以定义成为一个对象的集合 这种基于对象的描述提供了一个清晰的设备模型 DeviceNet对象模型 标识对象 包含与设备有关的一些属性信息 如供货商标识 设备类型 产品代码 产品名称等 路由对象 向其它对象传送显式报文 一般在DeviceNet网络中不具有外部可视性 连接对象 模拟特定的设备之间的通讯特性 如处理的信息类型 数据到达的速率 超时的处理方法等 DeviceNet对象 提供配置和状态信息 如节点标识 传送波特率 总线脱离的处理过程 预定义连接组的分配等服务 组合对象 主要负责I O信息的格式定义和I O数据的映射等 参数对象 为配置工具访问所有参数提供标准的方法 应用对象 指与特定应用相关的对象 它模拟应用设备的特性 通信连接 DeviceNet网络中 连接是一个重要概念 节点设备之间欲进行通信 必须先建立连接 连接的建立过程正如打电话一样 当你想给某人打电话时 你首先应该输入相应的号码或名字 当得到对方的应答后就建立了连接 然后便可在此连接上进行通话 当你挂断电话 连接就会断开 DeviceNet网络中的任何一个设备欲和其它设备通信时 亦须先建立连接 当设备不想和已建立连接的某个设备通信时 它可通过发送释放连接或删除连接服务来断开连接 如果在某个特定的连接上长时间没有进行通信 这个通信将自动断开以释放资源 通信连接 在DeviceNet网络中 每个连接用连接标识符来标识 它使用CAN规范中的11位仲裁区来定义 连接标识符包括设备媒体访问控制标识符 MACID 和信息标识符 MessageID 其中 MACID可通过硬件设定 也可通过软件来配置 标识符分为四组 如表所示 通信连接 这四种报文组优先级不同 其中报文组1优先级最高 通常用于发送设备的I O报文 报文组4优先级最低 用于设备离线时的通信 传送信息时可据此选择相应的报文组 MACID 用于在网络上识别节点 6bit 64节点 有源和目的之分 MessageID 报文ID 用于标识一个连接所使用的通信通道 在特定端点内的报文组中识别一个报文 在不同报文组位数不一样 DeviceNet报文 DeviceNet有两种基本类型的报文 显式报文和I O报文 I O报文是工业控制系统最主要的信息 由于控制系统的实时性要求 I O信息必须快速重复地传送 刷新 因此数据量大 要求格式精简 I O信息可以选择应答或无应答传送 一般选择无应答方式以节省时间 可以是点对点或多点传送 DeviceNet报文 显式报文用于两