控制器局域网总线——CAN

1、2021/3/131控制器局域网总线CAN 一、CAN的性能特点 CAN(Controller Area Network)即控制器局域网络。由于其高性能、高可靠性、及独特的设计,CAN越来越受到人们的重视。国外已有许多大公司的产品采用了这一技术。 CAN已经形成国际标准。它是一种多主机局域网,由于其性能卓越,现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备,交通设备、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。 2021/3/132 CAN属于总线式串行通信网络,由于其采用了许多新技术及独特的设计,其数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。特点: CAN为多主方式工作 ,可方便地构成多机备份系统。 CAN网

2、络上的节点信息分成不同的优先级。 CAN采用非破坏性总线仲裁技术,在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。 CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、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”。 2021/3/133CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路 。采用短帧结构,具有极好的检错效果。 CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施,保证了数据出错率极低。 CAN的通信介质可选择灵活。 CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响。 2021/3/134二、CAN的技术规范 技术规范包括A和B两部分。 2.0A给出了CAN报文标

3、准格式,而2.0B给出了标准的和扩展的两种格式。1、CAN的基本概念 报文 总线上的信息以不同格式的报文发送,但长度有限制。 位速率 2021/3/135 信息路由 CAN系统中,一个CAN节点不使用有关系统结构的任何信息(如站地址)。 它以包含下列重要概念: 系统灵活性、报文通信、成组、数据相容性 优先权 在总线访问期间,标识符定义了一个报文静态的优先权。 远程数据请求 通过发送一个远程帧,需要数据的节点可以请求另一个节点发送一个相应的数据帧,该数据帧与对应的远程帧以相同标识符ID命名。 2021/3/136 多主站 仲裁 总线访问冲突运用逐位仲裁规则。 安全性 检测错误 出错标注和恢复时间

4、 已损报文由检出错误的任何节点进行标注。如果不存在新的错误,自检出错误至下一个报文开始发送的恢复时间最多为29个位时间。2021/3/137 故障界定 CAN节点有能力识别永久性故障和短暂扰动,可自动关闭故障节点。 连接 单通道 由单一进行双向位传送的通道组成的总线,借助数据重同步实现信息传输。 总线数值表示 总线上具有两种互补逻辑数值;显性电平或隐性电平。 2021/3/138 应答 所有接收器均对接收报文的相容性进行检查,回答一个相容报文,并标注一个不相容报文。 睡眠方式及唤醒 为降低系统功耗,CAN器件可被置于无任何内部活动的睡眠方式,相当于未连接总线的驱动器。 2021/3/1392、

5、CAN节点的分层结构 CAN分为数据链路层(包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC)和物理层。 在CAN技术规范20A的版本中,数据链路层的LLC和MAC子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”。 LLC子层的主要功能 物理层的功能 2021/3/1310 CAN技术规范20B定义了数据链路中的MAC子层和LLC子层的一部分,并描述与CAN有关的外层。 MAC子层是CAN协议的核心,它描述由LLC子层接收到的报文和对LLC子层发送的认可报文。 LLC子层的主要功能是报文滤波、超载通知和恢复管理。 2021/3/13113、报文传送及其帧结构 发送器 接收器 构成一帧的帧起始、

6、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列均借助位填充规则进行编码。 数据帧和远程帧的其余位场采用固定格式,不进行填充。出错帧和超载帧也是采用固定格式,也不进行位填充。 报文中的位流按照非归零(NRZ)码方法编码 。 2021/3/1312 报文传送由4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;远程帧通过总线单元发送,以请求发送具有相同标识符的数据帧;出错帧由检测出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的附加延迟。 2021/3/1313数据帧 数据帧由7个不同的位场组成,即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。 在CAN 2.0B中存在两种不同

7、的帧格式,其主要区别在于标识符的长度,具有11位标识符的帧称为标准帧,而包括29位标识符的帧称为扩展帧。 2021/3/1314 新型控制器必须执行标准格式,但不要求必需执行完全的扩展格式 。至少具有下列特性,则可被认为同CAN技术规范兼容: A、每个控制器均支持标准格式; B、每个控制器均接受扩展格式报文,即不至于因为它们的格式而破坏扩展帧。 2021/3/1315 (1)帧起始(SOF)标志数据帧和远程帧的起始,它仅由一个显位构成。(2)仲裁场由标识符和远程发送请求位(RTR)组成。 (3)控制场由6位组成,控制场包括数据长度码和两个保留位,这两个保留位必须发送显性位,但接收器认可显位与隐

8、位的全部组合。 (4)数据场由数据帧中被发送的数据组成,它可包括08个字节,每个字节8位。首先发送的是最高有效位。 2021/3/1316(5)CRC场包括CRC序列,后随CRC界定符。(6)应答场(ACK)为两位,包括应答间隙和应答界定符。(7)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 远程帧由6个不同分位场组成:帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。 2021/3/1317出错帧 出错帧由两个不同场组成,第一个场由来自各站的错误标志叠加得到,后随的第二个场是出错界定符。 错误标志具有两种形式,一种是活动错误标志,一种是认可错误标志,活动错误标志由6个连续

9、的显位组成,而认可错误标志由6个连续的隐位组成。 2021/3/1318超载帧 超载帧包括两个位场:超载标志和超载界定符。 超载条件: A、一个是要求延迟下一个数据帧或远程帧的接收器的内部条件; B、另一个是在间歇场检测到显位。 超载标志由6个显位组成。 超载界定符由8个隐位组成。 2021/3/1319帧间空间 帧间空间包括间歇场和总线空闲场,对于前面已经发送报文的“错误认可”站还有暂停发送场。 间歇场由3个隐位组成。 总线空闲周期可为任意长度。 2021/3/13204、错误类型和界定 CAN总线中存在5种错误类型 位错误 填充错误 CRC错误 形式错误 应答错误 2021/3/1321

10、CAN总线中,任何一个单元可能处于下列三种故障状态之一:错误激活、错误认可和总线关闭。 为了界定故障,在每个总线单元中都设有两种计数: 发送出错计数和接收出错计数。 这些计数按照（书94-95）规则进行(在给定报文传送期间,可应用其中一个以上的规则)。 2021/3/13225、位定时与同步 6、CAN总线媒体装置特性（基于双绞线的建议 ） 将连接于总线的每个节点称为电子控制装置(ECU)。总线每个末端均接有以RL表示的抑制反射的终端负载电阻,而位于ECU内部的RL应予取消。总线驱动可采用单线上拉、单线下拉或双线驱动,接收采用差分比较器。 总线可具有两种逻辑状态:隐性或显性 2021/3/13

11、23三、 CAN总线有关器件介绍 1、CAN通信控制器82C200 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。 82C200有PCA 82C200和PCF82C200两种类型。 2021/3/1324控制器主要由下述几部分构成:(1)接口管理逻辑(2)发送缓存器 (3)接收缓存器 (4)位流处理器 (5)位定时逻辑 (6)收发逻辑 (7)错误管理逻辑 (8)控制器接口逻辑 2021/3/1325 82C200对于微控制器以两部分独立工作的存储器映像外围设备出现,下面介绍各寄存器地址分配及功能。地址分配 82C200的地址域由控

12、制段和报文缓存器组成。被发送的报文必须写入发送缓存器,成功接收后,微控制器可从接收缓存器读取报文,然后释放它,准备下次使用。 控制段 微控制器与82C200之间的状态、控制和命令信号的交换在控制段中完成。 2021/3/13261控制寄存器(CR) 控制寄存器的内容用于改变82C200的状态,控制位可被微控制器置位或复位,它将 控制寄存器作为读写存储器。2命令寄存器(CMR) 命令位在82C200的传输层内初始化一种作用,命令寄存器对于82C200作为读写存储器出现,若对地址进行读访问,则返回字节11111111B。 2021/3/13273状态寄存器(SR) 状态寄存器的内容影响总线控制器的

13、状态。状态寄存器对于微控制器作为只读存储 器出现。 4中断寄存器(IR) 中断寄存器允许识别中断源,当寄存器的一个或更多位被置位时,INT引脚被激活。在该寄存器被微控制器读出后,所有位被82C200复位。该寄存器对于微控制器作为只读 存储器出现。 2021/3/13285验收码寄存器(ACR) 验收码寄存器是82C200的验收滤波器的一部分,若复位请求位被置为高,该寄存器可被访问。 6验收屏蔽寄存器(AMR) 7总线定时寄存器0(BTR0) 总线定时寄存器0的内容决定波特率预分频器(BRP)和同步跳转宽度(SJW)的数值。8总线定时寄存器1（BTR1） 总线定时寄存器1的内容为周期宽度、采样点

14、位置和在每个采样点获取采样的数目。 2021/3/13299输出控制寄存器(OCR) 在软件的控制下,输出控制寄存器可建立输出驱动器的不同配置。 若82C200处于睡眠方式(Sleep位为高),隐性电平在引脚CTX0和CTXl输出。 若82C200处于复位状态(复位请求位为高),则输出驱动器悬浮。 由输出控制寄存器中两位输出方式(OCMODE1,OCMODE0)可确定的4种输出方式: 2021/3/1330 正常输出方式: 位序列(TXD)通过CTX0和CTXl被传送。 时钟输出方式:对于引脚CTX0,这种方式与正常输出方式相同。而CTXl的数据流被发送时钟代替,发送时钟的上升沿标志位周期的开

15、始,时钟脉冲宽度为tSCL。 双相输出方式:与正常输出方式相反,位出现时间是可变的,并且是可触发的。2021/3/1331 测试输出方式:对于引脚CTX0,这种方式与正常方式相同。为测试发送和接收之间的延迟时间,这种方式将输入比较器的输出端与CTXl输出驱动器的输入端连接起来,此方式仅用于测试。10、测试寄存器 测试寄存器仅用于生产测试 2021/3/1332发送缓存层 该缓存区用于存储由微控制器送至82C200的被发送报文。 它分为描述符和数据场。发送缓存器可借助微控制器写入或读出。 A、描述符 (1)标识符(1D) (2)远程发送请求位(RTR) (3)数据长度码(DLC) 数据字节计数的

16、范围为。08个字节,并被编码为: 数据字节数=8DLC.3+4DLC.2+2DLC.1+DLC.0 2021/3/1333 B、数据场 发送数据字节的数目由数据长度码决定。地址单元12中的数据字节1的最高位将首先被发送。接收缓存器层 接收缓存器有两个物理存储区,对应同一个逻辑地址空间。时钟分频寄存器 用来控制微控制器的CLKOUT输出频率。 2021/3/13342、Intel 82527CAN通信控制器 独立的CAN控制器。它可通过并行总线与各种微控制器接口,也可通过串行口与无并行总线的微控制器接口。 一种可按CAN规程完成串行通信的高集成度器件 。 82527是支持CAN规程2.0B标准和

17、扩展报文格式的第一个器件。 2021/3/133582527具有一个强功能的CPU接口 。可提供15个8字节数据长度的报文目标。 具有实现报文滤波的全局屏蔽功能 。2021/3/1336 82527的CAN控制器通过在片双端口RAM与微控制器进行数据交换。其主要特性可概括如下: 支持CAN 20B规范,包括标准和扩展数据帧和远程帧; 可程控全局屏蔽,包括标准和扩展标识符; 具有15个信息缓冲区,每个信息长度为8字节,包括14个TXRX缓冲区,1个带可程控屏蔽的RX缓冲区; 2021/3/1337 可变CPU接口,包括多路8位总线(Intel或Motorola方式)、多路16位总线、8位非多路总

18、线(同步异步)、串行接口(如SPl); 可程控位速率并有可程控时钟输出; 可变中断结构; 可设置输出驱动器和输入比较器结构;两个8位双向IO口; 44脚PLCC封装,引脚与82526兼容。 2021/3/13383、带有CAN总线接口的微控制器及IO器件 8位微控制器P8XC592 8位微控制器; Philips现有微控制器P8XC552和CAN通信控制器82C200的功能组合; 与8XC552微控制器的不同之处是: CAN总线取代了原PC总线;在片程序存储器扩展至16KB;增加了256字节内部RAM,并在CAN发送接收缓存器与内部RAM之间建立了DMA,为便于访问CAN发送接收缓存器,在内部

19、专用寄存器块中增加了4个特殊功能寄存器。 2021/3/1339 CPU通过4个特殊功能寄存器CANADR,CANDAT,CANCON和CANSTA可以访问CAN控制器,也可以访问DMA逻辑。 注意: CANCON和CANSTA在读和写访问时对应不同的物理单元。 2021/3/1340 DMA逻辑允许用户在最多两个指令周期内,在CAN控制器和主RAM之间传送一个完整的报文(最多10个字节);在一个指令周期内最多可传送4个字节。 DMA传送期间,不允许对特殊功能寄存器CANADR,CANDAT,CANCON和CANSTA的访问。 置位DMA位后,各个中断均被禁止,直至传送结束。 2021/3/1

20、34116位微控制器87C196CACB及P51XA-C3 微控制器87C196CACB是属INTELMCS 96微控制器系列。 P51XA-C3是PHILIPS 80C51XA系列产品中的最新派生产品之一,是一种极适应于汽车及工业应用的16位单片微控制器,其指令系统可兼容原80C51指令。 P51XA-C3符合CAN20B协议要求。 XA增强型结构支持80C51应用广泛的位操作功能,同时支持多任务操作系统和诸如C高级语言。速度为80C51的10100倍。 2021/3/1342 XA-C3的主要功能包括:2.75.5V宽电压范围工作; 1024字节在片数据RAM ; 32KB在片EPROMR

21、OM程序存储器 ; 带有增强功能,具有输出端的三个标准计数器定时器 CAN模块支持CAN20B,可达1MHz速率; 监视跟踪定时器(WDT) ; 一个UART ; 低电压检测 ; 具有4种可编程输出配置的三个8位IO口 ; EPROMOTP版本可在线编程 ; 当电源电压为4.55.5V时,可工作于25MHz;2.73.6V时,可工作于16MHz ; 40引脚DIP,44引脚PLCC和44引脚QFP封装形式 ; 2021/3/1343CAN总线I0器件82C150 82C150即是一种具有CAN总线接口的模拟和数字IO器件。82C150的主要功能包括: (1)CAN接口功能 符合具有严格的位定时的CAN技术规范2.0A和2.0B 全集成内部时钟振荡器(不需要晶振),位速率为20k125kbps 2021/3/1344 具有位速率自动检测和校正功能 有4个可编程标识符位,在一个CAN总线系统上最多可连接16个82C150 支持总线故障自动恢复 具有通过CAN总线唤醒功能的睡眠方式 带有CAN总线差分输入比较器和输出驱动器 2021/3/1345(2)IO功能 16条可配置的数字及模拟IO口线; 每条IO口线均可通过CAN总线单独配置,包括IO方向、口模式和输入