CAN现场总线技术

1、CANCAN现场总线技术现场总线技术CAN总线总线通信技通信技术术1 1.1 .1 概述概述现代社会对汽车的要求不断提高主要包括：极高的主动安全性和被动安全性；乘坐的舒适性；驾驶与使用的便捷和人性化；尤其是低排放和低油耗的要求等。在汽车设计中运用微处理器及其电控技术是满足这些要求的最好方法，并且已经得到了广泛的运用。主要包括：ABS（防抱系统）；EBD（制动力分配系统）；EMS（发动机管理系统）；多功能数字化仪表；主动悬架；导航系统；电子防盗系统；自动空调；CAN总线总线通信技通信技术术这些系统由多个电控单元相互连接而成，可分为控制器、传感器、执行器等。同时各个系统之间也互相连接，进行着越来越

2、多的数据交换。这样就需要使用大量的线束和插接器来实现互连，进行它们之间的数据交换。由于线束和插接器的数量不断增加，整车电子系统的复杂程度愈来愈高，其可靠性将难以保证，故障率会提高，维修会更加困难。为了满足汽车内部信息交换量急剧增加的要求，有必要使用一种实现多路传输方式的车载网络系统。该网络系统采用串行总线结构，通过总线信道共享，减少线束的数量。 车载网络除了要求采用总线拓扑结构方式外，必须具有极好的抗干扰能力；极强的差错检测和处理能力；满足信息传输实时性要求；同时具备故障的诊断和处理能力等。另外考虑到成本因素，要求其控制接口结构简单，易于配置。 CAN总线总线通信技通信技术术1 1.2 .2

3、发展概况发展概况20世纪80年代，Bosch公司、 Mercedes-Benz公司、Intel公司，以及德国两所大学的工程人员开始研究用于汽车的串行总线系统。1986年，Bosch在SAE（汽车工程人员协会）大会上提出了CAN总线1987年， Intel就推出了第一片CAN控制芯片82526；随后Philips半导体推出了82C200。1993年，CAN的国际标准ISO11898公布，从此CAN 协议被广泛的用于各类自动化控制领域。1994年，SAE以CAN为基础制定了SAEJ1939标准，用于卡车和巴士控制和通信网络。1992年，CIA（CAN in Automation）用户组织成立，并制

4、定了第一个CAN应用层“CAL”。 基于CAN的应用层协议应用较广的有：DeviceNet（适合于工厂底层自动化）和 CANopen（适合于机械控制的嵌入式应用）。2002年，DeviceNet被确立为中国国家标准，并在冶金、电力、水处理、烟草、水泥、石化、矿山等各个行业得到成功应用。 1 1.3 CAN.3 CAN的性能特点的性能特点有专门的国际标准ISO11898；节点数可达110个，任一节点可在任一时刻主动发送；报文以标识符分为不同的优先级，可满足不同的实时性要求；非破坏性总线仲裁技术，大大节省了总线冲突的仲裁时间；通过对报文滤波可实现点对点、一点对多点和全局广播等传送方式；短帧结构，传

5、输时间短，受干扰概率低，适于工业环境；每帧信息都采用CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低；通信介质选择灵活（双绞线、同轴电缆或光纤）；速率最高可达1Mbps，最远可达10km；错误严重情况下自动关闭输出，保证不影响总线上其他节点通信；性价比高，器件容易购置，节点价格低；CAN总线总线通信技通信技术术 2.1 2.1 位速率位速率 VCAN-H VCAN-L 隐隐性性位位 隐隐性性位位 显显性性位位 速率kbps1000500250125100距离 m40130270530620速率kbps5020105距离 m13003300670010000CAN总线总线基本概念基本概念“显性”位0和“

6、隐性”位1 2.2 2.2 标识符的逐位仲裁标识符的逐位仲裁“显性”位0和“隐性”位1；01Arbi t rati on LostM odul e 1M odul e 2Bus Line“显性”位0和“隐性”位1CAN总线总线基本概念基本概念 CAN总线总线基本概念基本概念2.3 CAN2.3 CAN的分层结构的分层结构 位编码/解码 位定时 同步 驱动器接收器特性逻辑链路子层LLC 接收滤波 超载通知 恢复管理介质访问控制子层MAC 数据包装/解包 帧编码 介质访问管理 错误监测 出错标定 应答 串并转换数据链路层物理层故障界定总线故障管理监控器 CAN报报文文传传送及其送及其帧结帧结构构3

7、.1 3.1 帧格式和帧类型帧格式和帧类型标标准准帧帧 11位标识符扩扩展展帧帧 29位标识符帧类帧类型型 数据帧、远程帧、错误帧和过载帧编码规则编码规则1）位填充：发送器监视发送位流，连续5个相同位便自动插入一个补码位。（错误帧和过载帧以及帧结束标志不执行位填充）2）采用不归零（NRZ）编码由7个不同的场组成 ，数据场长度可为0 。为了设计简单，可以对标准格式执行部分扩展，不一定要完全扩展可以用整个标识符进行报文滤波，也可以把标识符屏蔽一部分进行报文滤波 仲裁场控制场数据场CRC场帧间空间帧结束帧起始ACK场数据帧CAN报报文文传传送及其送及其帧结帧结构构3.1.1 CAN3.1.1 CAN

8、数据帧数据帧由7个不同的场组成。数据场长度可为0CAN2.0B存在标准和扩展两种帧格式； CAN2.0A无扩展帧定义；为了设计简单，可以对标准格式执行部分扩展，不一定要完全扩展；可整个标识符进行报文滤波，也可标识符屏蔽一部分进行报文滤波； CAN报报文文传传送及其送及其帧结帧结构构数据帧标准格式数据帧扩展格式仲裁场控制场数据场11位标识符SOFRTRIDEr0DLC仲裁场控制场11位标识符SOFRTRIDEDLC18位标识符 r1 r0SRR CAN报报文文传传送及其送及其帧结帧结构构3.1.2 CAN3.1.2 CAN远程帧远程帧需要数据的节点可以发送远程帧请求另一节点发送相应数据帧远程帧的

9、RTR位是隐性的，它没有数据场，所以数据长度码没有意义。3.1.3 CAN3.1.3 CAN错误帧错误帧错误帧由两个不同的场组成，第一个场是不同站提供的错误标志的叠加，第二个场是错误界定符。错误标志的重叠错误界定符帧间空间或过载帧错误帧数据帧错误标志 3.1.4 CAN3.1.4 CAN过载帧过载帧过载帧包括两个场：过载标志（6个显位及其叠加）和过载界定符（8个隐位）导致发送过载标志的条件：导致发送过载标志的条件：接收器内部要求延迟下一个数据帧或远程帧，在间歇场第一或第二位检测到一个显性位过载标志过载标志的形式与主动错误标志一样一个站发出过载标志，其他站都将检测到过载条件并发出过载标志。过载界

10、定符过载界定符的形式与错误界定符一样。过载标志发送后，站就监视总线直到发现从显位到隐位的跳变，然后发送其余7个隐性位。过载标志的重叠过载界定符帧间空间或过载帧过载帧帧结束或错误界定符或过载界定符过载标志CAN报报文文传传送及其送及其帧结帧结构构CAN报报文文传传送及其送及其帧结帧结构构3.2 CAN3.2 CAN帧间空间帧间空间对于数据帧或远程帧，无论它前面是什么帧，都用帧间空间来分开；但是对于过载帧或错误帧，没有帧间空间与前面帧分开；间歇场由3个隐位组成。间歇场期间不允许启动发送数据帧或远程帧；总线空闲周期可为任意长度。此时，总线是开放的，任何站可随时发送间歇场总线空闲帧帧间空间帧 5种错误

11、类型： 位错误：发送器监视到总线位数值与发出的位数值不同；(注1) 填充错误：应该使用位填充的地方出现第6个相同位； CRC错误：计算结果与收到的CRC不同；(注2) 形式错误：固定形式的位场中出现非法位； 应答错误：在应答间隙，发送器未检测到显位；3种故障状态：错误主动；错误被动；总线关闭；CAN错误类错误类型和界定型和界定 CAN位定位定时时与同步与同步标称的位时间分为：同步段、传播段、相位缓冲段1、相位缓冲段2；同步段用于同步各节点，正常情况下跳变沿落在此段内；传播段用于补偿网络内的传输延时；采样点时刻读取的电平代表这个位的电平；时间份额由振荡器周期分频而得；同步段4时间份额1时间份额1

12、位时间=10时间份额传播段1时间份额4时间份额相位缓冲段1相位缓冲段2采样点 CAN位定位定时时与同步与同步同步的规则：在总线空闲时，只要检测到一个隐性到显性的边沿，就执行一次硬同步（以该边沿作为同步段）；在总线不空闲时，若边沿落在同步段以外，则按其与同步段之差执行再同步：边沿落在同步段以后，则把所差份额加到相位缓冲段1 ：边沿落在同步段以前，则从相位缓冲段2减去所差份额；由于位填充规则，所以可用于再同步的边沿在一定时间内总会出现。最大可能时间间隔是29个位；一个位时间内只能执行一次同步，且一般只把隐性到显性的边沿用于同步； CAN控制器和收控制器和收发发器器4.1 CAN4.1 CAN控制器

13、的作用控制器的作用遵循CAN2.0规范，完成所规定的物理层和数据链路层大部分功能；有微处理器接口，易于连接单片机结构分两种类型，独立IC或与单片机集成在一起，SJA1000属于前者，属于后者的有：PHILIPS的87C591、LPC2119，西门子的C167C，INTEL的80C196CA等4.2 4.2 控制器控制器SJA1000SJA1000主要特性主要特性支持CAN2.0A和CAN2.0B规范支持11位和29位标识符64字节先进先出(FIFO)接收缓冲器通信速率最高1MbpsCAN输出驱动器可配置扩展的报文验收滤波器，可置成单滤波或双滤波模式 4.2.1 SJA10004.2.1 SJA

14、1000在系统中的位置在系统中的位置传感器执行元件MMI模块控制器CAN控制器CAN收发器TXRX传感器执行元件MMI微控制器SJA100082C250TXRXCAN总线分布模块1分布模块2CAN控制器和收控制器和收发发器器 发送缓冲区验收滤波器接收FIFOCAN2.0B核心模块接口管理逻辑主控制器收发器SJA1000CAN总线线路4.2.2 SJA10004.2.2 SJA1000的模块结构的模块结构CAN控制器和收控制器和收发发器器 4.2.3 SJA10004.2.3 SJA1000发送缓冲器的布局发送缓冲器的布局CAN地址内容16TX帧信息17TX标识码118TX标识码219TX数据字

15、节120TX数据字节221TX数据字节322TX数据字节423TX数据字节524TX数据字节625TX数据字节726TX数据字节827未用28未用标准帧格式CAN地址内容16TX帧信息17TX标识码118TX标识码219TX标识码320TX标识码421TX数据字节122TX数据字节223TX数据字节324TX数据字节425TX数据字节526TX数据字节627TX数据字节728TX数据字节8扩展帧格式CAN控制器和收控制器和收发发器器 4.2.4 SJA10004.2.4 SJA1000接收缓冲器的布局接收缓冲器的布局地址内容(标准帧)内容(扩展帧)16RX帧信息RX帧信息17RX标识码1RX标

16、识码118RX标识码2RX标识码219RX数据字节1RX标识码320RX数据字节2RX标识码421RX数据字节3RX数据字节122RX数据字节4RX数据字节223RX数据字节5RX数据字节324RX数据字节6RX数据字节425RX数据字节7RX数据字节526RX数据字节8RX数据字节627RX数据字节728RX数据字节8CAN控制器和收控制器和收发发器器 4.2.5 4.2.5 接收标准帧报文的单滤波器配置接收标准帧报文的单滤波器配置标识符数据字节12CAN控制器和收控制器和收发发器器 4.2.6 4.2.6 接收扩展帧报文的单滤波器配置接收扩展帧报文的单滤波器配置29位标识符CAN控制器和收控制器和收发发器器 4.2.7 4.2.7 接收标准帧报文的双滤波器配置接收标准帧报文的双滤波器配置CAN控制器和收控制器和收发发器器 4.2.8 4.2.8 接收扩展帧报文的双滤波器配置接收扩展帧报文的双滤波器配置CAN控制器和收控