工业通信网络canbusPPT课件.ppt

许勇xuy Can与汽车通信网络 教学计划 前置课程 数据通信基础 计算机网络等教材 杨春杰等 CAN总线技术 北航出版社 2010 2参考教材 1 许勇 工业通信网络技术和应用 西电出版社 2013 12 阳宪惠 网络化控制系统 现场总线技术 清华大学出版社 2009 5教师 许勇Email xuy guet edu eduTelephone 229 5208Office 东区3教 502 主要教学内容和学时分配 第一章概述与数据通信基础6第二章Can协议8Can总线介绍Can的定义和结构Can的帧Can的差错控制第三章Can协议的实现10设备和元件介绍通信控制器 SJA1000收发器和处理器第四章CAN的应用层4第五章车辆网络及其应用6第六章故障诊断与诊断通信复习2合计40 1 1汽车电子的发展汽车电子控制技术是汽车技术与电子技术结合的产物 并随着汽车油耗法规 排放法规 安全法规要求提高和电子技术进步而逐步发展 汽车电子控制技术的发展历史大致可分为分立电子元件控制 集成电路控制和微处理器控制 个阶段 第一阶段 1953 1980 汽车电子设备主要采用分立电子元件组成电子控制器 并开始向集成电路 产品过渡 主要产品有二极管整流式交流发电机 电子式电压调节器 电子式点火控制器 电子式闪光器 电子式间歇刮水控制器 晶体管收音机 数字时钟等 第二阶段 1981 1990 汽车电子设备广泛采用集成电路IC和 位微处理器进行控制 主要开发研究专用的独立控制系统 主要产品有电子燃油喷射系统 空燃比反馈控制系统 电子控制自动变速系统 防抱死制动系统 安全气囊系统 座椅安全带收紧系统 车辆防盗系统 巡航控制系统 车辆导航系统 车身高度自动控制系统 故障自诊断系统等 C1概述与数据通信基础 第三阶段 1991 2005 汽车电子设备广泛应用16位或32位微处理器进行控制 控制技术向智能化方向发展 主要产品有发动机燃油喷射与点火综合控制系统 牵引力控制系统 区域网络通信系统 四轮转向控制系统 轮胎气压控制系统 声音合成与识别系统 自动防追尾碰撞系统和自动驾驶系统等 也可分为动力传动总成电子控制 底盘电子控制 车身电子控制 信息通信系统等 目前 2006 车辆的智能化和网络化 成为社会工具体系中的一个智能终端 人类生产 生活基础工具网络中的一个移动 传输节点 采用GPS和车载信息系统 多路传输系统来集成汽车所有零部件的电子控制模块 使整个汽车电子系统具有数据融合 故障诊断和一定的自我修复功能 网络 汽车网络 外部网 内部网 基础 CAN网络CAN总线是德国Bosch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 它是一种多主总线 是一种双线串行数据通信总线 通信介质可以是双绞线 同轴电缆或光导纤维 通信速率可达1Mbit s 早期汽车内ECU通信 点对点 没有总线时的电器互连 结果 设备增加 线束增加 控制复杂 系统性能弱 引入总线后 控制新的ECU只是加插一个单元 CAN总线的发展 结果 线束不显著增加 控制体系没有改变 系统性稳定 引入总线后 控制新的ECU只是加插一个单元 CAN总线的应用 结果 线束不显著增加 控制体系没有改变 系统性稳定 在汽车中应用CAN总线技术的优点 1 信息共享 采用CAN总线技术可以实现各ECU之间的信息共享 减少不必要的线束和传感器 例如 具有CAN总线接口的电喷发动机可提供转速 水温 机油压力 机油温度 油量瞬时流速等信息与其他电器可共享 这样一方面可省去额外的传感器 还可以将这些数据显示在仪表上 便于驾驶员检查和发动机的保养维护 2 减少线束 新型电子通信产品的出现对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求 传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式 相互之间少有联系 这样必然造成庞大的布线系统 据统计 一辆采用传统布线方法的高档汽车中 其导线长度可达2000m 电气节点达1500个 而且该数字大约每10年增长1倍这种传统布线方法不能适应汽车的发展 CAN总线可有效减少线束 节省空间 还大大提高可靠性 安全性 3 关联控制 在一定事故下 需要对各ECU进行关联控制 而这是传统汽车控制方法难以完成的 CAN总线技术可以实现多ECU的实时关联控制 而且CAN网络的配制比较容易 允许任何站之间直接进行通信 而无需将所有数据全部汇总到主计算机后再行处理 4 具有快速响应时间和高可靠性 并适合对实时性要求较高的应用如刹车装置和气囊 控制平台 信息平台 驾驶平台的互连基础 CAN芯片可以抗高温和高噪声 并且具有较低的价格 开放的工业标准 对于一般控制 设备间连锁可以通过串行网络完成 通过CAN总线 传感器 控制器和执行器由串行数据线连接起来 其通信协议相当于ISO OSI参考模型中的数据链路层 网络可根据协议探测和纠正数据传输过程中因电磁干扰而产生的数据错误 汽车电子的网络趋势 系统化和模块化 车身被细分为系统和模块 减少开发和制造的复杂性 智能控制分布化 很多智能控制功能不是通过附加的ECU实现 而是将其分布到各节点来协调完成 网络化 越来越多的系统和组件通过几个网络进行通讯 工业通信 包括CAN 应该满足的要求 1 可靠性高 平均无故障工作时间MTBF MeanTimeBetweenFailure 可达几万小时 尽量缩短故障修复时间MTTR MeanTimeToRepair 2 实时性好 系统实时响应测控对象各种参数的动态变化 3 环境适应性强 工业现场环境恶劣 电磁干扰严重 要求系统防尘 防腐蚀 防振动冲击 具有较好的电磁兼容性和高抗干扰能力 4 系统扩充性好 随着控制规模扩大 系统要有灵活的扩充性 在主系统接口 网络通信 软件兼容及升级等方面 以便于扩充 连接 5 具有冗余性 即后备措施齐全 包括供电后备 存储器信息保护 紧急事故处理装置等 在可靠性要求更高的场合 要求有双信道工作及软件冗余 C2CAN协议 2 1Can的发展概述控制器局域网CAN ControlAreaNetwork 总线是德国BOSCH公司为解决现代汽车控制与测试仪器间数据交换开发的串行数据通讯协议 1986 最早成为国际标准 ISO 11898 是目前事实上汽车总线协议标准 国际半导体厂商开发CAN总线专用芯片的有 Intel Motorola Philips Siemens NEC Honeywell等 CAN属于总线式通讯网络 CAN总线规范了任意两个CAN节点之间的兼容性 包括电气特性及数据解释协议 CAN的物理层决定实际数据传送过程中的电气特性 在同一网络中 所有节点物理层必须保持一致 但可以采用不同方式的物理层 CAN的数据链路层功能包括帧组织形式 总线仲裁和检错 错误报告及处理 确认哪个信息要发送的 确认接收到的信息及为应用层提供了接口 Can发展的重要事件1983年 Bosch开始研究用于汽车的串行总线系统1986年 Bosch在SAE大会上首次公布CAN协议1987年 Intel推出了第一片CAN控制器芯片1991年 Bosch颁布CAN2 0技术规范 CAN最先在BenzS系列轿车上实现1992年 CiA组织成立 制定了第一个CAN应用层协议 即后来的CANopen CAN被用于各类自动化控制领域1993年 ISO颁布CAN的国际标准ISO 118981994年 SAE颁布用于卡车和巴士控制的J1939标准1999年 近6千万个CAN控制器芯片投入使用2001年 用在汽车上的CAN节点数目超过1亿个目前 几乎每一辆生产的汽车 工程车辆上都有CAN 未来 CAN总线将部分地被FlexRay所取代 但CAN总线将仍会被持续应用相当长的时间 CAN技术基本原理示意图 120 120 传输速率最高可达1Mbps 距离最远可达10km通信介质选择灵活 双绞线 同轴电缆 光纤 采用双线差分信号协议本身对节点的数量没有限制总线上节点的数量可以动态改变 组网灵活短帧结构 传输时间短 受干扰概率低 CAN总线技术的特点 多主站结构 各节点平等 任一节点可在任一时刻主动发送非破坏性的基于优先级的总线仲裁 优先级通过报文的标识符 ID 区分 报文标识符在网络中是唯一的标识符描述了数据的含义某些特定的应用对标识符的分配进行了标准化广播发送报文 报文可以被所有节点同时接收保证系统数据一致性接口的抗电磁干扰能力设计每帧信息都采用CRC校验及其他检错措施 错误漏检率极低错误报文的自动重发 临时错误的恢复以及严重错误的自动关闭 保证不影响其它节点的通信 2 2CAN通信协议 Can与OSI参考模型的比较 Thefunctionalityofeachlayeris Physical Concernsthetransmissionofstructuredbitstreamoverphysicalmedia dealswiththemechanical electrical functional andproceduralcharacteristicstoaccessthephysicalmediaDataLink Providesthereliabletransferofinformationacrossthephysicallayer sendsblocksofdata frames withthenecessarysynchronization errorcontrol sequencecontrol andflowcontrolNetwork Providesupperlayerswithindependencefromthedatatransmissionandswitchingtechnologiesusedtoconnectsystems responsibleforestablishing maintaining andterminatingconnectionsTransport Providesreliable transparenttransferofdatabetweenendpoints providesend to enderrorrecoveryandflowcontrol providessegmentationandreassemblyofverylargemessagesSession Providesthecontrolstructureforcommunicationbetweenapplications establishesmanagesandterminatesconnections sessions betweencooperatingapplicationsPresentation Providesindependencetotheapplicationprocessfromdifferencesindatarepresentation syntax Application ProvidesaccesstotheOSIenvironmentfrousersandalsoprovidesdistributedinformationservices CAN协议模型结构只有OSI底层的物理层和数据链路层 CAN属于总线式串行通信网络通过报文滤波即可实现点对点 一点对多点及全网广播几种方式发送接收数据为多主方式工作 通信方式灵活CAN网络按节点类型分成不同的优先级CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术CAN总线的数据传递方式以报文为单位进行 短帧结构 8字节 每个报文的标志符ID起始部分有一个11位的标志符ID传输速率 可达到1Mbps 40m 5k 10km 差错控制 机制充分 可靠性高 CAN总线协议要点 1 CAN的物理层特性 拓扑结构 总线式通信网络机械参数及传输介质 用一个9针的D型插头连接到CAN总线上电气参数及信号表示 总线数据采用不归零编码方式 NRZ 有两种互补的逻辑值 显性 0 Dominant 及隐性 1 Recessive CAN总线各节点位速率相同 CAN总线采用时钟同步技术 每位时间组成如图接收器在两个相位缓冲段间采样输入位值 两个相位缓冲段长度可自由调节 以保证采样的可靠性 物理层协议Bosch开发的CAN规范中物理层没有完整的定义 允许系统设计者为其应用优化电平和传输中介 已经创建了的CAN物理层标准有 ISO11898 2高速 传送速率1Mbit s 最大长度40m 指定两线制差分总线 线阻抗为120Ohm CAN L 2V至CAN H 7V ISO11898 3容错 容错CAN 用于汽车车身电子设备 速率125kbit s 共模电压范围在 2V到 7V之间 电源定义为5V SAEJ2411单线适用于对比特率和长度要求较低的CAN网络 介质非屏蔽的单线 标称速率33 3kbit s 高速模式83 3kbit s ISO11992点对点对于带有拖车的车辆 标称数据速率125kbit s 非屏蔽的双绞线作为总线介质 其它 对于光学介质没有规范 隐性电平用 暗 表示 显性电平用 亮 表示 CAN技术物理层 ISO11898NOMINALBUSLEVELS CAN技术其它相关标准 智能模块及其分布式系统 航海电子设备接口标准 高速CAN技术物理层 ISO11898 2 高速CAN节点结构 低速容错CAN物理层基础 基于ISO11898 3 低速容错CAN 2 CAN链路层 链路层功能 1 访问管理 谁占用信道 2 帧定界 帧同步 帧的区分和识别帧的开始和结束 3 差错控制 变不可靠的物理连接为可靠的数据链路 4 流量控制 解决速度不匹配的问题 5 透明传输 将数据和控制信息区分开6 寻址 数据帧的正确发送 CAN总线报文中含有标示符 ID 描述数据含义 表明报文优先权 CAN总线上各节点都可主动发数据 两个或以上的节点发送报文时 由CAN控制器根据ID进行仲裁 发送具有最高优先权报文的节点获得总线使用权 其他节点自动停止发送 总线空闲后 这些节点将自动重发报文 各种数据延迟要求不一样 快速变化的物理量 如发送机的转速 路面的随机波动信号等 比慢时变的物理量 如温度 压力等信号 要求的频率大的多 多节点同时访问总线 CAN控制器通过各种报文的优先权标示符及ID数的大小来仲裁谁先发送 优先级以二进制数表示 但不允许动态更改 使信息近似实时传输 CAN的仲裁 Arbitration Bus SOF Idle Collision 010010111 仲裁期间 每个发送器都监视总线上当前电平 并与自己已经发送的位电平进行比较 如果值相等 那么继续发送 如果发送了一个隐性位 值1 而监视到一个显性位 值0 那么本节点必须停止发送数据 具有最低数字值的标识符获得仲裁优先权 位填充 规则 在一帧中的帧起始 仲裁域 控制域 数据域和CRC域部分 发送器在需发送比特流中5个具有相同数值的连续位后自动插入一个反码位 数据帧和远程帧的其余组成部分 CRC界定符 应答域和帧结束 具有固定格式 不进行位填充 数据帧 Dataframe 携带数据从发送节点到接收节点分标准帧和扩展帧远程帧 Remoteframe 向其他节点请求发送具有同一标识符的数据帧错误帧 Errorframe 节点检测到错误之后发送错误帧超载帧 Overloadframe 在先行的和后续的数据帧 或远程帧 之间附加一段延时帧间空间 interframeSpace 数据帧 或远程帧 通过帧间空间与前述的各帧分开 2 3CAN的帧 1 数据帧 2 0A ID长度ll位 2 0B ID29位 数据 信息帧 DataFrame 包括7个主要域 bitfield 帧起始域 SoF 数据帧开始 一个显性位组成 仲裁域 Arbitration 内容由标示符和远程传输请求位 RTR 组成 RTR表明此信息帧是数据帧还是远地请求帧 不含任何数据 当2 0A的数据帧和2 0B的数据帧在同一条总线上传输时 如果ID相同 则非扩展数据帧的优先权高于扩展数据帧 控制域 Control r0 r1是保留位 作为扩展位 DLC表示一帧中数据字节的数目 数据域 包含0 8字节的数据 校验域 CRC 检验位错用循环冗余校验 15位 应答域 ACK 包括应答位和应答分隔符 正确接收到有效报文接收站在应答期将总线值为显性电平 帧结束 EoF 由七位隐性电平组成 RTR 远程请求位 0时为数据帧 1时是不包含数据的远地请求帧 当两种数据帧在同一条总线上传输时 如果ID相同 则非扩展数据帧的优先权高于扩展数据帧 SRR代替远程请求位 永远置1 IDE 标识符扩展位 用于区分标准帧和扩展帧标准帧 IDE 0 11位ID 扩展帧 IDE 1 29位ID RTR 远程请求位 用于区分数据帧和远程帧数据帧 RTR 0 远程帧 RTR 1 数r0 r1是保留位 作为扩展位 发送节点发送隐性位 1 接收节点回 0 表示正确 DEL是界定符 固定格式 1个隐性位 Can数据帧 示例 0 x5 Temperature Pressure Torque ID 4bytes 2bytes 2bytes Data 8bytes GearboxCANDataFrame 0 x10 Temperature Torque ID 4bytes 2bytes ABSCANDataFrame Data 8byte 2bytesnotused 2 远程帧 远程帧由6个域组成 帧起始 仲裁域 控制域 校验域 应答域 帧结束 3 错误指示帧接收节点发现总线上的报文有误时 将自动发出 活动错误标志 其他节点检测到活动错误标志后发送 错误认可标志 可检测的错误有 位错误 BitError 填充错误 StuffError ACK错误 ACKError 格式错误 FormError CRC错误 CRCError 错误指示帧由错误标志和错误分界两个域组成 接收节点发出的是 活动错误标志 其他节点发送 错误认可标志 包括错误标志与错误界定符 错误标志 主动错误标志 6个连续显性位 被动错误标志 6个连续隐性位 错误界定符 8个连续隐性位 4 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结束后开始 当接收方接收下一帧之前 需要过多的时间处理当前的数据 或在帧问空隙域检测到显性电平时 则导致发送超载帧 5 帧间空隙位于数据帧和远地帧与前面的信息帧之间 由帧间空隙和总线空闲状态组成 帧间空隙是必要的 在此期间 CAN不进行新的帧发送 为的是CAN控制器在下次信息传递前有时间进行内部处理操作 当总线空闲时CAN控制器方可发送数据 2 4CAN的出错管理 CAN