CAN总线综述报告

目录TOC\o"1-3"\p""\h\z\uCAN现场总线综述报告-1-1.CAN总线的产生和发展-1-2.CAN总线网络结构-2-3.协议通信方法-2-4.CAN总线技术介绍-3-4.1位仲裁-3-4.2CAN的报文格式-4-4.3数据错误检测-4-4.3.1循环冗余检查(CRC)-4-4.3.2帧检查-4-4.3.3应答错误-5-4.3.4总线检测-5-4.4位填充-5-5.典型CAN总线器件及其应用-5-5.1CAN通信控制器82C200-6-5.2SJA1000CAN控制器-6-5.3PCA82C250CAN收发器-7-6.总结-8-6.1CAN总线具有如下基本特点-8-6.2CAN总线的优点总线的优点总线的优点总线的优点-8-CAN现场总线综述报告1.CAN总线的产生和发展控制器局部网（CAN－CONTROLLERAREANETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心，将5C技术--COMPUTER（计算机技术）、CONTROL（自动控制技术）、COMMUNICATION（通信技术）、CRT（显示技术）和CHANGE（转换技术）紧密结合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性[4]。典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线（FIELDBUS）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。控制器局部网CAN（CONTROLLERAERANETWORK）正是在这种背景下应运而生的。2.CAN总线网络结构3.协议通信方法CAN为串行通讯协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。CAN的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN。在汽车电子行业里，使用CAN连接发动机控制单元、传感器、防刹车系统、等等，其传输速度可达1Mbit/s。同时，可以将CAN安装在卡车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等等，用以代替接线配线装置。技术规范的目的是为了在任何两个CAN仪器之间建立兼容性。可是，兼容性有不同的方面，比如电气特性和数据转换的解释。为了达到设计透明度以及实现灵活性，根据ISO/OSI参考模型，CAN2.0规范细分为以下不同的层次：数据链路层和物理层(如图所示)。数据链路层数据链路层物理层逻辑链路子层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位编码/解码位定时同步驱动器接收器特性故障界定总线故障管理监控器CAN协议具有以下的属性：•报文的优先权•保证延迟时间•设置灵活•时间同步的多点接收•系统内数据的连贯性•多主机•错误检测和错误标定•只要总线一处于空闲，就自动将破坏的报文重新传输•将节点的暂时性错误和永久性错误区分开来，并且可以自动关闭由OSI参考模型分层CAN结构的错误的节点。4.CAN总线技术介绍4.1位仲裁要对数据进行实时处理，就必须将数据快速传送，这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。在几个站同时需要发送数据时，要求快速地进行总线分配。实时处理通过网络交换的紧急数据有较大的不同。一个快速变化的物理量，如汽车引擎负载，将比类似汽车引擎温度这样相对变化较慢的物理量更频繁地传送数据并要求更短的延时。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。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的报文才被丢失。注意，总线中的信号持续跟踪最后获得总线读取权的站的报文。在此例中，站2的报文被跟踪。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。CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用，这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。这种方法在网络负载较重时有很多优点，因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了，这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。对于主站的可靠性，由于CAN协议执行非集中化总线控制，所有主要通信，包括总线读取(许可)控制，在系统中分几次完成。这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法。4.2CAN的报文格式在总线中传送的报文，每帧由7部分组成。CAN协议支持两种报文格式，其唯一的不同是标识符(ID)长度不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。在标准格式中，报文的起始位称为帧起始(SOF)，然后是由11位标识符和远程发送请求位(RTR)组成的仲裁场。RTR位标明是数据帧还是请求帧,在请求帧中没有数据字节。控制场包括标识符扩展位(IDE)，指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一个保留位(ro)，为将来扩展使用。它的最后四个字节用来指明数据场中数据的长度(DLC)。数据场范围为0～8个字节，其后有一个检测数据错误的循环冗余检查(CRC)。应答场(ACK)包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平(逻辑1)，这时正确接收报文的接收站发送主控电平(逻辑0)覆盖它。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位，如果这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状态。4.3数据错误检测不同于其它总线，CAN协议不能使用应答信息。事实上，它可以将发生的任何错误用信号发出。CAN协议可使用五种检查错误的方法，其中前三种为基于报文内容检查。4.3.1循环冗余检查(CRC)在一帧报文中加入冗余检查位可保证报文正确。接收站通过CRC可判断报文是否有错。4.3.2帧检查这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性，用于检查格式上的错误。4.3.3应答错误如前所述，被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认。如果发送站未收到应答，那么表明接收站发现帧中有错误，也就是说，ACK场已损坏或网络中的报文无站接收。CAN协议也可通过位检查的方法探测错误。4.3.4总线检测有时，CAN中的一个节点可监测自己发出的信号。因此，发送报文的站可以观测总线电平并探测发送位和接收位的差异。4.4位填充一帧数据中的每一位都由不归零表示,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，这个填充位会被自动丢掉。例如，五个连续的低电平后，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。如果至少有一个站通过以上方法探测到一个或多个错误，它将发送出错标志终止当前的发送。这可以阻止其它站接收错误的报文，并保证网络上报文的一致性。当大量发送数据被终止后，发送站会自动地重新发送数据。作为规则，在探测到错误后23个位周期内重新开始发送。在特殊场合，系统的恢复时间为31个位周期。但这种方法存在一个问题，即一个发生错误的站将导致所有数据被终止，其中也包括正确的数据。因此，如果不采取自监测措施，总线系统应采用模块化设计。为此，CAN协议提供一种将偶然错误从永久错误和局部失败中区别出来的办法。这种方法可以通过对出错站统计评估来确定一个站本身的错误并进入一种不会对其它站，产生不良影响的运行方法来实现，即站可以通过关闭自己来阻止正常数据因被错误地当成不正确的数据而被终止。5.典型CAN总线器件及其应用CAN总线的突出优点使其在各个领域的应用得到迅速发展，这使得许多器件厂商竞相推出各种CAN总线器件产品，已逐步形成系列。下表列出了一些主要的CAN总线产品，这里仅对典型的芯片加以介绍。5.1CAN通信控制器82C200完成CAN规范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，82C200（SJA1000）属于前者。属于后者的有：PHILIPS的87C591、LPC2119，西门子的C167C，INTEL的80C196CA等。都遵循CAN2.0规范，掌握其中一种就可触类旁通。对于不同型号的CAN总线通信控制器，实现CAN协议部分电路的结构和功能大都相同，而与微控制器接口部分的结构及方式存在一些差异。这里主要以PHILIPS82C200为代表对CAN控制器的结构、功能及应用加以介绍。5.2SJA1000CAN控制器SJA1000是一个独立的CAN控制器，它在汽车和普通的工业应用上有先进的特征，适合于多种应用特别在系统优化诊断和维护方面非常重要。SJA1000独立的CAN控制器有2个不同的操作模式：1BasicCAN模式：和PCA82C200兼容。BasicCAN模式是上电后默认的操作模式，因此用PCA82C200开发的已有硬件和软件，可以直接在SJA1000上使用而不用作任何修改。2PeliCAN模式：是新的操作模式。它能够处理所有CAN2.0B规范的帧类型。而且它还提供一些增强功能，使SJA1000能应用于更宽的领域。工作模式通过时钟分频寄存器中的CAN模式位来选择，复位时默认模式是BasicCAN模式。发送缓冲区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总线线路图：SJA1000控制器的结构CAN核心模块：根据CAN规范控制CAN帧的发送和接收。接口管理逻辑：用于连接外部主控制器。SJA1000通过复用的地址/数据总线，与主控制器联系。发送缓冲器：用于存储一个完整的扩展的或标准的报文。当主控制器初始发送时，接口管理逻辑会使CAN核心模块从发送缓冲器读CAN报文。验收滤波器：通过这个可编程的滤波器能确定主控制器要接收哪些报文。接收FIFO：用于存储所有收到的报文，储存报文的多少由工作模式决定，最多能存储32个报文。5.3PCA82C250CAN收发器PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线的接口。此器件对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力。又称为总线驱动器。符合ISO11898标准，最高速率1Mbps；抗汽车环境瞬间干扰，具有保护总线能力；斜率控制，降低射频干扰RFI；热保护以及电源和地短路保护；低电流待机模式；未上电的节点对总线无影响；可连接110个节点；工作温度-40～+125℃内部具有限流电路，可防止发送输出级对电源、地或负载短路。虽然短路出现时功耗增加但不至于损坏器件。若结温超过160℃6.总结6.1CAN总线具有如下基本特点1.废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工作；2、采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据，有效避免了总线冲突；3、采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；4、每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境下使用；5、节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其他操作不受影响；6、可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接受数据。6.2CAN总线的优点总线的优点总线的优点总线的优点1、具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；2、采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；3、具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CA