CAN控制器局域网总线

CAN(控制器局域网)总线,性能特点,CAN属于总线式串行通信网络，其数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。特点如下：多主方式:P8信息分级，高优先级先传输非破坏性总线仲裁技术通信方式：点对点、一点对多点、全局广播通信距离、速率距离(40M-10KM)，速率(1Mb/s-5Kb/s),节点数：取决于总线驱动电路，可达110个；报文标识符2032种传输格式：短帧结构检错：CRC校验通信介质选择灵活节点自动关闭输出功能（出错严重）,技术规范,基本概念：报文：格式不同，长度不同信息路由（CAN节点不使用任何有关系统结构的信息）系统灵活性：节点接入灵活报文通信：标识符ID（不指出报文的目的，描述数据的含义），报文滤波成组：接收，激活数据相容性：借助成组和出错处理达到,位速率：不同系统不同速率；系统给定，速率惟一且固定优先权：标识符定义远程数据请求（需要数据的节点）发送远程帧请求（有该数据的节点）发送数据帧该数据帧与对应远程帧具有相同标识符ID多主站仲裁CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。,如：当几个站同时发送报文时，站1的报文标识符为011111，站2的报文标识符为0100110，站3的报文标识符为0100111。所有标识符都有相同的两位01，直到第3位进行比较时，站1的报文被丢掉，因为它的第3位为高，而其它两个站的报文第3位为低。站2和站3报文的4、5、6位相同，直到第7位时，站3的报文才被丢掉（逐位仲裁）。注意：标识符ID相同时，数据帧优先于远程帧。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于：在网络最终确定哪一个站的报文被传送以前，报文的起始部分已经在网络上传送了。所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站,并且不会在总线再次空闲前发送报文。,安全性：出错率极低检错措施：发送自检、循环冗余校验、位填充和报文格式检查。出错标注和恢复时间已损报文检出节点标注失效自动重发恢复时间最多为29个位时间。故障界定连接：单元总数受限于延迟时间和总线的电气负载。,单通道：借助数据重同步实现信息传输。总线数值表示：显性或隐性电平，显位优先。应答：回答相容报文，标注不相容报文。睡眠方式及唤醒睡眠方式：无任何内部活动唤醒：任何总线激活或者系统的内部条件专用唤醒报文：rrrrrrdrrrr，r为隐位，d为显位。,CAN协议的分层结构,LLC：为数据传送和远数据链路层程请求提供服务2.0AMAC：传送规则、位定时物理层：有关全部电气特性不同在节点间的实际传送物理层：位定时、位编码、同步MAC子层：核心。响应报文帧、仲裁、2.0B应答、错误检测和标定。LLC子层：管理报文滤波、超载通知、恢复管理,报文传送及其帧结构,报文发送器：发出报文的单元实际有效时刻：帧结束末尾一直未出错，报文有效；报文受损，按优先权自动重发。报文接收器：不是报文发送器，总线非空闲实际有效时刻：帧结束的最后一位一直未出错，有效。位填充规则一帧（帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC序列）报文中的每一位都由非归零码表示，可保证位编码的最大效率。然而,如果在一帧报文中有太多相同电平的位,就有可能失去同步。,为保证同步,同步沿用位填充产生。在五个连续相等位后，发送站自动插入一个与之互补的补码位；接收时，这个填充位被自动丢掉。例如，五个连续的低电平位后，CAN自动插入一个高电平位。CAN通过这种编码规则检查错误，如果在一帧报文中有6个相同位，CAN就知道发生了错误。固定格式：数据帧、远程帧和其余位场、出错帧、超载帧，不进行位填充。报文传送的帧类型数据帧：携带数据由发送器至接收器。由7个不同的位场组成。,CAN2.0B中，标准帧：11位标识符扩展帧：29位标识符控制器兼容：支持标准，接受扩展帧起始：标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个显位构成。站同步仲裁场：由标识符的远程发送请求位（RTR）组成。CAN2.0A：11位。RTR位在数据帧中必须是显位，在远程帧中必须为隐位。CAN2.0B：标准格式：11位RTR。,扩展格式：29位标识符、SRR位、标识位及远程发送请求位组成。标准格式与扩展格式冲突的解决：SRR代替RTR并在其位置上发送，二者基本ID相同。SRR位为隐位。IDE位：标准格式：控制场显性电平发送扩展格式：仲裁场隐性电平控制场由6位组成，包括数据长度码和两个保留位（必须发送显性位）。,数据长度码指出数据场的字节数目，长度码为4位，在控制场中发送。数据字节的允许使用数目为08。数据场由数据帧中被发送的数据组成，包括08个字节，每个字节8位。首先发送的是最高有效位。CRC场包括CRC序列、CRC界定符CRC序列由循环冗余码求得的帧检查序列组成，适用于位数小于127的帧。CRC界定符只包含一个隐位。,应答场（ACK）两位（应答间隙、应答界定符）发送器送出两个隐位接收器（正确接收）发送一个显位报告（应答间隙）所有接收到匹配CRC序列的站，通过在应答间隙内把显位写入发送器的隐位来报告。应答界定符（第2位）必须是隐位。帧结束每个数据帧和远程帧均由7个隐位组成的标志序列界定。,远程帧由6个不同分位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场、帧结束。注意：远程帧的RTR位是隐位，不存在数据场。出错帧由两个位场组成。第一个场为错误叠加标志，第二个场为错误界定符。错误认可节点终止出错帧错误标志：活动错误标志、认可错误标志,活动错误标志：6个连续显位工作方式：检测出错（错误激活节点）发送活动错误标志标注违背填充规则或固定形式其他站发送出错标志叠加长度在612位之间认可错误标志：6个连续隐位工作方式：检测出错（错误认可站）发送错误认可标志标注等待6个相同极性的连续位完成出错界定符：8个隐位,超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符导致发送超载标志的条件：要求延迟下一个数据帧或远程帧的接收器的内部条件起点：期望间歇场的第一位时间在间歇场检测到显位起点：检测到显位的后一位超载标志由6个显位组成。其形式破坏了间歇场的固定格式，从而所有其他站检测到超载条件，并发送超载标志。,超载界定符由8个隐位组成。帧间空间数据帧和远程帧同前面的帧相同，不管是何种帧均以称之为帧间空间的位场分开。但在超载帧和出错帧前面没有帧间空间。帧间空间包括间歇场和总线空闲场。间歇场由3个隐位组成，间歇期间不允许启动发送数据帧或远程帧，仅起标注超载条件的作用。总线空闲周期可为任意长度。总线开放报文发送期间，待发报文紧随间歇场从第一位开始发送。,暂停发送场：错误认可站发完一个报文后，在开始下一次报文发送或认可总线空闲之前，紧随间歇场后送出8个隐位。错误类型和界定5种错误类型位错误：总线位数值与送出的位数值不同。例外：在仲裁场的填充位流期间或应答间隙送出隐位而检测到显位；送出认可错误标注的发送器检测到显位。填充错误：位填充方法编码时，出现第六个连续相同的位电平。CRC错误：接收器计算结果与接收到的CRC序列不相同。,形式错误：固定形式的位场中出现一个或多个非法位。应答错误：应答间隙发送器未检测到显位。检测到CRC错误时，出错标志在应答界定符后面那一位开始发送，其余错误由检出站在下一位开始发送出错标志。3种故障状态：错误激活（活动错误标志）、错误认可（认可错误标志）、总线关闭（不允许单元对总线有任何影响）。,故障界定计数规则：1、接收器检出错误时，接收器出错计数加1（发送活动错误标志或超载标志期间的位错误除外）。2、接收器在送出错误标志后的第一位检出一个显位时，接收计数8。3、发送器发送一个错误标志时，发送计数8。两个例外：4、发送器送出一个活动错误标志或超载标志时，检测到位错误，发送计数8。5、接收器送出一个活动错误标志或超载标志时，检测到位错误，发送计数8。,6、在送出活动错误标志、认可错误标志或超载错误标志后，检测第11个连续显位后（活动错误标志或超载标志），或紧随认可错误标志检测到第8个连续显位后，以及附加的8个连续的显位的每个序列后，接收、发送计数8。7、成功发送，发送计数1。8、成功接收，接收计数1（1127）。若大于127，其值为119127之间的一个。9、发送、接收计数128，节点为错误认可。,10、发送计数256，节点为总线关闭状态。11、发送、接收计数均127时，错误认可节点再次变为错误激活节点。12、监测到总线上11个连续的隐位发生128次后，总线关闭节点变为两个错误计数器均值为0的错误激活节点。错误计数数值大于96时，总线被严重干扰。特殊：仅一节点在线，发报无应答，检错重发，该节点变为错误认可，但不会关闭总线。,位定时与同步,正常位速率：在非重同步情况下，借助理想发送器每秒发生的次数。正常位时间：正常位速率的倒数。可分为如下几个时间段：同步段、传播段、相位缓冲段1、相位缓冲段2。同步段：用于同步总线上的各节点。跳变沿传播段：用于补偿网络内的传输延迟时间，它是信号在总线上传播时间、输入比较器延迟和驱动器延迟之和的两倍。,相位缓冲段1和相位缓冲段2：用于补偿沿的相位误差，通过重同步，时间段可变。采样点：读仲裁电平并理解，位于相位缓冲段1的终点。信息处理时间：由采样点开始，保留用于计算子序列位电平的时间。时间份额：由振荡器周期派生出的一个固定时间单元。正常位时间中各时间段长度数值：同步段为一个时间份额，传播段18个，相位缓冲段1为18个，相位缓冲段2为相位缓冲,段1与信息处理时间的最大值，信息处理时间长度2个时间份额。总数为825。硬同步：内部位时间从同步段重新开始。重同步跳转宽度：14个时间份额。沿相位误差：由沿相对于同步段的位置给定，以时间份额度量。重同步：相位误差重同步跳转宽度编程值时，同硬同步；相位误差重同步跳转宽度且e0，则相位缓冲段1延长总数为重同步跳转宽度。相位误差重同步跳转宽度且e0，则相位缓冲段2缩短总数为重同步跳转宽度。,同步规则,两种形式：硬同步、重同步。1、在一个位时间仅允许一种同步。2、采样数值与总线数值不符，沿过后立即有一个沿用于同步。3、总线空闲期间，隐跳显，执行硬同步。4、履行1和2的隐跳显执行重同步。例外：对于具有正相位误差的隐跳显，沿用于重同步，发送显位的节点则不执行。,总线驱动方式：单线上拉、单线下拉、双线。接收方式：差分比较器总线状态：隐性、显性CAN总线通过CAN控制器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。CAN的通信协议主要由CAN控制器完成。CAN控制器主要由实现CAN总线协议部分和与微控制器接口部分电路组成。,CANopen高层协议,CANOpen是一种基于CAN的高层协议，是一种具有灵活配置功能的标准嵌入式网络。CANopen是CAN-in-Automation(CiA)定义的标准之一，并且在发布后不久就获得了广泛的承认。尤其是在欧洲，CANopen被认为是在基于CAN的工业系统中占领导地位的标准。CANopen协议集基于所谓的“通信子集”，该子集规定了基本的通信机制及其特性。大多数重要的设备类型，例如数字和模拟的输入输出模块，驱动设备，操作设备，控制器，可编程控制器或编码器，都在称为设备子集的协议中进行描述。设备子集定义了不同类型的标准设备及其相应的功能。依靠CANopen协议集的支持，可以对不同厂商的设备通过总线进行配置。,协议构成,CANopen是单主站系统，系统的运行由主站控制。CANopen标准最核心的部分是通过对象字典（ObjectDictionary）对设备功能进行描述。对象字典分为两部分，第一部分包括基本的设备信息，例如设备ID，制造商，通信参数等等。第二部分描述了特殊的设备功能。COB-ID（通讯对象标识符）由功能段和地址段构成，最多可定义127个站点。,主站功能段：主站对从站的操作内容地址段：指出被操作从站的地址从站功能段：从站对主站操作的应答地址段：指出应答从站的地址CANopen网络的通信和管理都是通过不同的通信对象来完成的，为了能够实现通信，网络管理，紧急情况处理等功能，CANopen规范定义了四类标准的通信对象：,服务数据对象(SDO)第一类通信对象为服务数据对象，该对象可以传输大于8个字节的配置信息。也就是说，SDO传送协议允许传送任意长度的对象。接收者将确认收到的每个段信息，发送和接收者间将建立点对点的通信，称之为客户机/服务器模式。未来，CANopen将允许快速传输SDO，不必对传送的每个段都进行确认，只要在整个对象传送完毕后进行确认即可。功能：完成系统的参数配置、组态、设定进程数据PDO的格式。操作内容由3部分组成：操作方式：主站为命令，从站为应答。参数号：规定应用层的通信实体内容。参数值：被操作参数的数值。,进程数据对象(PDO)第二类通信对象为进程数据对象。PDO被映射到单一的CAN帧中，使用所有的8个字节的数据域来传输应用对象。每个PDO有一个独立的标识符并且可能只被一个节点发送，但它可以被多于一个节点接收，这种模式被称之为生产者/消费者通信模式。PDO可以通过多种模式传送，内部事件，外部时钟，远程帧请求以及从特定节点接收到同步报文都可