第十一章CAN-bus物理层

第十一章CAN-bus物理层第一页，共51页。11.1物理信号一、位表示CAN协议中的数字编码使用带位填充功能的NRZ编码，位填充只在CAN数据帧和远程帧中的SOF、仲裁场、控制场、数据场、CRC序列中使用，发送器每检测到5个连续的相同值序列，就会在其后插入一个反码位。数据帧和远程帧剩余部分(CRC分隔符、ACK场和EOF)以及出错帧和超载帧都有一个固定的形式，不允许填充。二、位定时和位同步在CAN同步传输协议中，只有一帧的开始才有一个起始位。这通常不足以使接收器的位采样和发送器保持同步。为了使接收器在帧结束时也能正确采样到接收的位流，就需要接收器不断进行重新同步。重新同步表示在位流中每个有效的信号边沿都可对接收信号的时钟周期进行检测。在信号边沿间的最大时间周期内，发送和接收振荡器之间最大可能的时间差必须在一共44页2第二页，共51页。个位间隔内的标称采样点之前和之后通过足够的空闲时间(“相位缓冲段”)来补偿。由于CAN协议使用非破坏性的位总线仲裁和显性应答位，信号从发送器传输到接收器再返回到发送器必须在一个位时间内完成。因此除了保留用于同步的时间外，还需要一个时间段(“传输延迟段”)，对总线上的信号传输及发送和接收节点的内部信号延迟进行补偿，如图11-2所示。用于同步用于传输延时补偿位时间：8~25；同步段：1、传输延时：1~8或更多、缓冲段1：1~8或更多、缓冲段2：max(Phase_Seg1,位处理时间）同步宽度SJW=1~min(4,Phase_Seg1/tq)；单位：tq共44页3第三页，共51页。相位误差为正相位误差为负总线延时段相位缓冲段可以缩短可以变长只在补偿时缓冲段变化，其它保持不变共44页4第四页，共51页。三、位定时段的规格通常位定时段的规格首先通过所需要的位速率来确定。位时间必须为系统时钟周期的整数倍。位时间tbit＝n×tq(n＝4…25，tq为时间单位量)。首先确定传输段的长度,考虑最大的总线长度和最大内部延迟时间，将往返的延迟时间转换成对应时间单位量的数目,按四舍五入法取为tq的整数倍。同步段的长度为1个tq，两个相位缓冲段的长度之和为(tbit-tProg_Seg-tq)。如果剩余时间单位的个数m＝(tbit-tProg_Seg-tq)/tq为偶数，则两个缓冲段的长度相同；如果是奇数，则tPhase_Seg2=tPhase_Seq1+tq。另外，Phase_Seg2的最小标称长度不能短于CAN控制器的数据处理时间(该时间取决于实现方式的不同，介于0~2tq之间)，同步跳转宽度SJW设置为{4,tPhase_Seg1/tq}max。四、振荡器误差由“隐性”位到“显性”位的边沿之间的最大距离10可以确定振荡器允许的误差：同步跳转宽度共44页5第五页，共51页。主动错误帧允许的振荡器误差五、数据速率与总线长度的关系1、传输延迟段的规格根据给定传输系统，可以按照下式确定传输延迟段时间：5个连续的显性位5个连续的阴性位振荡器误差为±df共44页6第六页，共51页。2、最大传输线路距离根据给定传输延迟段时间，可以按照下式确定最大传输线路距离：共44页7第七页，共51页。3、最大传输线路距离与数据速率之间的关系假设位时间tbit与位的传输延迟段时间tProg_Seg有下列关系：根据公式11-2d得到的位速率与对应的最大总线长度见表11-1。对于总线长度>100m的情况，也可以根据下列的经验公式确定传输线最大长度。共44页8第八页，共51页。11.2传输介质表示“隐性”和“显性”信号的能力是CAN总线仲裁方法的基本先决条件，即所有节点都为“隐性”信号时，总线介质才处于“隐性”状态，只要有一个节点发送了“显性”信号，总线就呈现“显性”状态。使用光学介质时，“隐性”信号通过状态“暗”表示，“显性”信号通过状态“亮”表示。使用电气介质时，“隐性”信号或用低电平表示，或用高电平表示，由电路结构决定。一、电气传输介质1、两线总线两线总线提供差分信号的传输，一方面可以抑制一定范围的共模误差；另一方面即使在非常低的信号电平下也能保证信号可靠传输。采用两线传输必须在总线的每一端接一个电阻(建议值为120W)，用于消除或降低信号反射。最常用的两总线是双绞线，使用双绞线两总线可以补偿电磁辐射的干扰，提高系统的抗干扰能力。当使用适当的总线错误管理功能时，即使一共44页9第九页，共51页。条线断裂或短路，通信仍然能够在抗干扰能力下降的情况下继续进行。目前两总线传输介质的访问单元有专门器件实现。2、单线总线单线总线在车辆的车身电气系统中得到广泛应用。该方案假定各个节点都有一个公共地，因此单线总线的解决方案只能孤立地应用。使用单线总线必须提高信号电压，以提高其传输可靠性。目前单总线传输介质的访问单元有专门器件实现。3、信号和电源共用一条线AS-I和PROFIBus-PA等几种现场总线系统采用同一条线提供电源和传输数据。通过总线进行供电对CAN系统来说也是可取的，但是由于CAN使用位仲裁，使用这种传输方案价格较高，与其它传动方案相比没有竞争力，工程中不常用。4、影响电气总线传输距离的最主要参数共44页10第十页，共51页。信号传输速度长度为1000m的总线在不同传输速度下的最大的位速率见表11-2。线路横截面面积即线路的阻性负载为了计算简单，两线制总线的简化模型见图11-9。由此可得接受器的最低电压为接点均匀分布的模型n-1个节点并联发送电压接受电压导线分布电阻防反射电阻共44页11第十一页，共51页。从式(11-5a)可以得到下面的关系式：当使用插针类型或接线柱时，必须通过增加导线截面积对接触电阻进行补偿。导线横截面积和导线长度、节点数之间的关系见图11-10。共44页12第十二页，共51页。线路的无损阻抗由于线路感性和容性负载的存在，信号在导线的终端会发生反射。为此，必须在导线两端都接上R＝Z的终端电阻。两线制总线的无损耗线路阻抗的典型值大约为120W。由于具有短的帧长度和错误恢复时间以及强大的错误检测能力，CAN非常适合用于有强电磁干扰的环境。除非是可能出现极强的电磁干扰，否则不需使用屏蔽线和双绞线。双绞线有良好的对称性，在磁场中只产生非常小的互感。如果节点没有公共接地且无法保持由总线介质访问单元所支持的共模范围(地的漂移)，那么就需要采用公共的地线，例如，可将屏蔽线的屏蔽层作为地线。二、双绞线传输介质1、双绞线特点技术上容易实现、造价低廉；理论上节点数无限制，对环境电磁辐射有一定抑制能力随着频率的增长，双绞线线对的衰减迅速增高；双绞线有近端串扰；适合CAN-bus网络的5kbps~1Mbps传输速率。共44页13第十三页，共51页。2、双绞钱电缆参数双绞线的电缆参数有直流电压参数、终端电阻和波特率近似值等，见表11-3。双绞线的交流参数有无损耗阻抗和传输时间，分别为120W和5ns/m。接线端子的直流和交流参数在选择电缆时也要考虑。DB9无损耗阻抗为2.5~5mW，阻性阻抗为5~20mW。标称终端为118~120W，实际可用150~300W。共44页14第十四页，共51页。3、双绞线电缆选择要素线长；波特率；4、电缆适用类型示例CAN双绞线/屏蔽双绞线的电缆型号见表11-4。特征阻抗；有效电阻；外界干扰；共44页15第十五页，共51页。5、双绞线使用及注意事项双绞线采用抗干扰的差分信号传输方式；使用非屏蔽双绞线作为物理层，只需要有2根线缆作为差分信号线(CANH、CANL)传输；使用屏蔽双绞线作为物理层，除需要用2根差分信号线(CANH、CANL)连接以外，还要注意在同一网段中的屏蔽层(Shield)单点接地；网络的两端必须有两个范围为118W＜Rr＜130W)的终端电阻(在CANH和CANL信号之间)；支线必须尽可能短，使用适当的电缆类型，确定电缆的电压衰减；确保不要在干扰源附近布置CAN总线。如果不得不这样做，就使用双层屏蔽电缆；共44页16第十六页，共51页。三、光学传输介质1、光纤种类及其特点石英光纤特点：衰减小，技术比较成熟；光纤带宽大，抗电磁干扰；易成缆；芯径很细（小于10µm）；连接成本较高。塑料光纤特点：成本与电缆相当；芯径达（0.5~1mm)；连接易于对准；重量轻；损耗将低到20dB/km。共44页17第十七页，共51页。2、光纤介质访问单元特点当两个CAN节点使用光纤相连时，两节点都需要相应接口电路，每个接口电路由两部分组成，一部分把自己发送的CANH和CANL之间的电信号转换相应的光纤状态，另一部分把光纤的当前状态转换成CANH和CANL之间的信号；对于总线型光纤网络结构，每一个节点的接口电路比较复杂。对单个光纤总线结构，接口电路由总线接口电路和节点接口电路组成，总线接口电路把节点的CANH和CANL之间的信号送到光纤的两个方向，节点接口电路把光纤的状态转换成节点CANH和CANL之间的电信号；对于双光纤总线结构，每个光纤需要两个光纤发送器和接受器，用于完成光纤状态与CANH和CANL之间电信号的相互转换；3、光纤CAN网络的构成方式一种是基于光纤定向耦合器的无延时光纤网另一种是基于光电收发模块的中继光纤网共44页18第十八页，共51页。4、光纤CAN网的拓扑结构5、光纤CAN网络与双绞线CAN网的比较总线形：

可由一根共享的光纤总线组成，各节点另需总线耦合器和站点耦合器实现总线和节点的连接；环形：

每个节点与紧邻的节点以点到点链路相连，形成一个闭环；星形：

每个节点通过点到点链路与中心星形耦合器相连；塑料光纤网络不宜采用总线拓扑结构，因无相应耦合器。(1)光纤的优点光纤的低传输损耗使中继之间距离大为增加；光缆具有不辐射能量、不导电、没有电感；光缆中不存在串扰以及光信号相互干扰；在线路“接头处”不会有由感应耦合导致的安全问题有强大的抗EMI能力。共44页19第十九页，共51页。(2)光纤CAN网络目前存在的问题价格昂贵，设备投入成本较高点对点的通信方式。共44页20第二十页，共51页。11.3网络拓扑结构总线上传输的电气信号在电气导线和引下线的终端会产生反射，这时节点接受到的信号将是传输信号和反射信号的重叠，如图11-5a所示。为了消除反射，在总线两端连接匹配电阻可以消除这种反射，如图11-5b所示。共44页21第二十一页，共51页。由于反射、导线阻抗性和电容性负载的存在，总线和支线长度受到一定的限制。除此之外，总线和支线长度还与数据传输速率有关，ISO99-2对其进行了详细规定，如图11-16所示。120W30cm干线长度40m速率1Mbps消除或降低反射影响程度的常用方法：使用终端电阻；位编程；根据线路可得单个引下线长度计算公式：认为25个反射周期就衰减为0共44页22第二十二页，共51页。各个引下线的总长度：DeviceNet标准对网络总长度、引下线长度的规范见表11-5。由此可见，电气特性限制了CAN-bus的基本网络结构和长度。为了满足工程实际需要，必须使用CAN网络通信设备改变CAN网的网络结构及其干线和支线长度。共44页23第二十三页，共51页。一、CAN中继器CAN中继器将任意一个物理线段上的信号传输到另一个相邻物理线段上，CAN中继器就将总线分成了两个物理上独立的段，属于物理层互连。这两个物理段可以全部是同类总线，也可以是不同类总线。由于中继器本身的延迟，用CAN中继器连接的两个物理段的长度之和小于基本网络结构总线长度。1、CAN中继器的功能2、电气CAN中继器的工作原理使用中继器可以满足地理分布的要求共44页24第二十四页，共51页。3、CAN中继器的应用二、CAN网桥网桥是在数据链路层提供连接服务的，是一种存储转发设备，常用于局域网的互联。CAN网桥就是把两个CAN局域网(物理参数可以不一样)连在一起的存储转发设备。三、CAN集线器集线器在计算机通信中属于物理层的网络连接设备，是多共44页25第二十五页，共51页。端口中继器。市场上CAN集线器则属于多端口网桥，属于数据链路层网络连接设备。用CAN集线器可以把多个CAN网段连在一起，如图11-20。四、CAN网关网关又称网间连接器、协议转换器，是一种充当转换重任共44页26第二十六页，共51页。的计算机系统或设备。路由器只能在使用相同协议的网络中转发、接收和中继包，而网关可以接收一种协议格式的包，然后在转发之前将它转换为另一种格式。大多数网关运行于应用层，如图11-22，常用的CAN网关见表11-6。不同协议网络之间的互联。共44页27第二十七页，共51页。11.4总线介质访问一、总线介质访问CAN控制器芯片和物理总线介质之间的连接称为“总线介质访问”。不同的总线介质必须设计或选用对应的总线介质访问用收发器件。二、电气总线介质收发器件功能1、发送器的功能提供足够的驱动输出能力；防止片内的驱动器过载；减少电磁辐射；共44页28第二十八页，共51页。2、接收器的功能提供己定义的隐性信号电平；防止片内的输入比较器因为总线上的过电压而损坏；片内输入比较器具有宽共模范围；提供足够的输入灵敏度；检测总线错误，例如断线、短路、对地短路或电压短路并切换到不对称的单线操作。3、收发器与CAN控制器的隔离功能收发器与CAN控制器的隔离一般采用光电隔离技术，如下图所示。共44页29第二十九页，共51页。CAN控制器传输介质收发器光电隔离共44页30第三十页，共51页。11.5物理层标准一、ISO11898-2标准ISO11898-2标准是一系列扩展标准的基础，它是工业自动化和汽车工业中CAN网络最重要的物理层标准。它描述了介质访问单元功能以及一些与介质相关的接口特性。1、ISO11898-2主要规范数据数据传输速率最高为1Mbps；1Mbps时总线的最大长度为40m；总的节点数受到电气总线负载的限制两线差分总线；在-3~+16V(24V车辆中最大为+32V)之间提供电压保护；典型的线阻抗为120W；共模电压范围：-2((CANL)~+7V((CANH)；共44页31第三十一页，共51页。2、ISO11898-2对两线总线的电气参数规范1Mbps时总线的最大长度40m；引下线在1Mbps时的最大长度30cm；典型的线阻抗120W；每米的线电阻(标称)70mW/m；标称传输延迟时间5ns/m；3、ISO11898-2对两线总线的网络拓扑结构规范为防止信号反射，网络拓扑结构尽量设计成接近单线结构，其基本拓扑结构如图所示。L=40ml=30cm终端电阻120欧姆共44页32第三十二页，共51页。4、ISO11898-2对标称电平的规范每个CAN节点都必须能够提供差分输出的总线电压Vdif＝VCANH-VCANL，两种互补的逻辑数值“显性”和“隐性”。“显性”(Do-minant)数值代表逻辑“0”，而“隐性”(“Recessive”)表示逻辑“1”，总线空闲状态发送隐性位，其标称电平如图所示。接受：输出：显性电压：Vdif>0.9V1.5~3.0V隐性电压：Vdif<0.5V-500mV~50mVCANH电平CANL电平共44页33第三十三页，共51页。5、符合ISO11898-2标准的总线介质访问单元总线介质访问通常都是由CAN高速收发器芯片来完成。除处理与总线介质接口外，芯片还执行一些额外的保护措施，特别是在汽车当中。例如符合该标准的收发器单元芯片PCA82C-251T最重要的特性为：与ISO11898-2完全兼容；数据传输速率最高可达1Mbps；过热保护；对地或电源的短路保护；待机模式下的低功耗；抑制总线的干扰；共44页34第三十四页，共51页。符合ISO11898-2标准的总线介质访问单元共44页35第三十五页，共51页。二、ISO11898-3标准1、ISO11898-3主要规范数据数据传输速率最大为125kbps；最大总线长度取决于数据速率和总线的容性负载每个网络的最大节点数为32；一对导线上的对称信号传输；短路保护的电压范围为-6V~+16V；发送器输出电流>1mA；共模电压范围为-2~+7V；电源电压为5V；对于数据速率和总线长度要求不高时，可使用“容错CAN低速规范”作为总线接口和导线排列的一种替代形式。该规范由Philips和Bosch公司开发，用于取代CAN低速通信标准ISO-11519，作为ISO99标准的第3部分。容错总线接口主要应用于汽车的电气网络中。共44页36第三十六页，共51页。2、ISO11898-3规范防错能力CANH的中断；CANL的中断；CANH与VCC的短路；CANL与VCC的短路；CANH与GND的短路；CANL与GND的短路：CANH与CANL的短路；3、ISO11898-3对标称电平的规范正常通信使用CANH和CANL两根线，一旦出错就使用一根线，这时选用一个电平，比如2.5V电平作为参考电平进行通信！共44页37第三十七页，共51页。4、符合ISO11898-3标准的总线介质访问单元符合容错规范的总线接口可以通过Philips的CAN收发器TJA1054实现，如图所示。共44页38第三十八页，共51页。三、SAEJ2411标准“单线CAN”最初是由通用汽车公司开发，用于替代符合SAEJ1850标准的“单线UART总线”。该标准用于对位速率和总线长度要求很低的场合。1、SAEJ2411主要规范数据只通过一条线进行通信；正常模式的标称速率为33.3kbp，；用于诊断的高速模式的速率为83.3kbps；每个网络最大节点数为32；可选择睡眠模式；2、SAEJ24110标称总线电平。共44页39第三十九页，共51页。3、符合SAEJ2411的总线介质访问单元符合SAEJ2411标准的总线连接可通过Infineon的CAN收发器TLE6255或Philips的CAN收发器AU5790实现，如图所示。收发器提供正常、高速和唤醒操作模式，这些模式由连接的微控制器端口通过引脚M0和M1进行控制。高于2VS/3唤醒睡眠CAN节点，高速通信与高压不能同时有效！收发器通过位流唤醒CAN节点M1、M0控制收发器工作于正常、高速和唤醒模式共44页40第四十页，共51页。四、IS011992标准在ISO11992标准中描述了一种将CAN用于低速网络的方法。它采用点对点连接，用于牵引车辆和拖车当中，也被称为“卡车-拖车”标准。1、ISO11992标准的主要规范数据带一辆拖车时的点对点连接；带两辆拖车时的菊花链连接；标称位速率为125kbps；最大线长为40m；一对导线上的对称信号传输(带地线和电源线)；总线错误管理；电源电压Vs＝12V或24V；2、ISO11992对标称电平的规范共44页41第四十一页，共51页。正常情况下使用双绞线，一旦发生错误就转换为单总线。但是，此时仍然监视双线，一旦故障排除又转为双线通信。共44页42第四十二页，共51页。11.6改善电磁兼容性的措施当使用非屏蔽导线时，物理层的电磁兼容性(EMC)就变得非常重要。无论哪种设备，改善电磁兼容性的措施都可以分为抑制感应电磁干扰(吸收防护)和减小发射电磁功率(发射防护)等两种。一、增加阻抗抑制共模干扰在共模干扰方面，符