《现场总线机工业控制网络》课件-第7章 CAN总线技术

1现场总线及工业控制网络第7章CAN总线技术主要内容۞

7.1

CAN总线简介۞

7.2

CAN技术规范۞

7.3

CAN器件及节点设计۞

7.4

CAN总线控制系统的应用۞

7.1

CAN总线简介CAN（Controlareanetwork）是控制器局域网络的简称,是德国Bosch公司1986年为解决现代汽车中众多测量控制部件之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信总线CAN作为数字式串行通信技术，具有以下特点：①节点不分主从，可任意通信；②节点信息分不同优先级；③非破坏性总线仲裁技术；④报文滤波，无需专门的“调度”；⑤CAN通信距离达10km（5kbps）、1Mbps(40m)。7.1.1

CAN总线的特点⑥节点数决定于驱动电路，目前可达110个⑦采用短帧结构，传输时间短。⑧节点中均没有错误检测，标定和自检功能。⑨通信介质灵活。⑩可置于睡眠方式，降低功耗。按模拟系统的接线方式，一个传统车辆的典型连接来展开后，其长度约为1600多米，有将近300个接头。因此，CAN应用前景良好。⑪节点在错误严重时自关闭。CAN是ControllerAreaNetwork（控制器局域网）的缩写，也称为canbus。最早由德国Bosch公司UweKiencke领导的课题小组于1983年开发，并于1986年2月在Detroit召开的SAE大会上以“AutomotiveSerialControllerAreaNetwork”论文的形式首次向世界介绍。其名称由顾问WolfhardLowrenz教授所起。1991年，philips

semiconductors发布CAN技术规范(version2.0)。1993年，CAN成为国际标准ISO11898。道路交通运输工具——数据信息交换——高速通信控制器局域网7.1.2

CAN总线的发展历程

CAN最早应用于汽车工业，1992年世界上首辆使用CAN总线的汽车从Benz公司下线。现在CAN已经成为世界上最流行的现场总线

CAN由CiA（CANinAutomation）国际组织维护，并已经成为ISO11898国际标准。以CiA推出的CANSpecification2.0为底层的高层协议有：CANKingdomDeviceNetCANopenSAEJ1939SDSCAN的最新进展是2000年推出的TTCAN（时间触发CAN通信协议）。显性电平（Dominant）：逻辑“0”隐性电平（Recessive）：逻辑“1”

ISO11898中规定：在隐性状态下：VCAN-H=VCAN-L=2.5V，Vdiff=0V在显性状态下：VCAN-H=3.5V，VCAN-L=1.5V，Vdiff=2VCAN总线电平7.1.3CAN总线的位数值表示CAN接插件管脚分配CAN总线终端电阻

120Ω±10%，ISO11898CAN总线使用的编码

NRZ编码（非归零编码），5位1填充。CAN总线的位速率：

5k~1M（bps）CAN总线长度：

40m~10kmCAN总线位速率与总线长度的关系：1600100051010010100100010000数据位速率[kbps]总线长度[m]主要影响因素：（1）CAN总线要求发送器在发送每一位的同时，都要监视总线电平，用以确定是否发送器竞争发送权失败，是否总线发生了位错误，是否获得了应答；（2）为实现（1）中的目的，要考虑传播延时的影响。铜导线中，电信号的传播速度是光速的2/3；（3）还要考虑发送器延时、接收器延时，以及可靠采样的要求۞

7.2CAN技术规范7.2.1CAN技术基础CAN协议：CAN协议是建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础上的。不过其模型结构只有3层，即只取OSI底层的物理层、数据链路层和应用层：应用层：应用层数据直接取自数据链路层或直接向链路层写数据，结构层次少，有利于系统中实时控制信号的传送。数据链路层：数据链路层含两个子层：逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。物理层：物理层定义信号是如何实际传输的，因此涉及位定时、位编码/解码及同步的解释。基本概念：报文（Messages）：总线上的信息以几个不同的固定格式的报文发送，但长度受限。当总线空闲时，任何连接的单元都可以开始发送新的报文。信息路由（InformationRouting）：在CAN系统里，CAN的节点不使用任何关于系统结构的信息。速率（BitRate）：在一个给定的CAN系统里，位速率是唯一且固定的。优先权（Priorities）：报文中数据帧和远程帧都有标识符段，在访问总线期间，标识符确定了一个静态的（固定的）报文优先权。远程数据请求（RemoteDataRequest）：通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的数据帧。数据帧和相应的远程帧具有相同的标识。主机（Multimaster）：总线空闲时，任何单元都可以开始传送报文。具有较高优先权报文的单元可以获得总线访问权。仲裁（Arbitration）：如果两个或两个以上的单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突，通过使用标识符的逐位仲裁可以解决这个冲突。安全性（Safety）：为了获得最安全的数据发送，CAN的每一个节点均采取了强有力的措施来进行错误检测、错误标定及错误自检。错误标定和恢复时间（ErrorSignallingandRecoveryTime）：任何检测到错误的节点会标志出损坏的报文，此报文会失效并将自动重新传送。如果不再出现错误，那么从检测到错误到下一报文的传送开始为止，恢复时间最多为31个位的时间。故障界定（FaultConfinement）：CAN节点能够把永久故障和短暂的干扰区别开来，故障的节点会被关闭。连接（Connections）：CAN串行通信链路是可以连接许多单元的总线。单一通道（SingleChannel）：总线由单一通道组成，它传输位流，从传输的数据中可以获得再同步信息。总线值的表示（BusValues）：总线上可以有两个互补的逻辑值中的一个：“显性”（Dominant）或“隐性”（Recessive）。当显性位和隐性位同时传送时，其结果是总线值为显性。应答（Acknowledgment）：所有的接收器对接收到的报文进行一致性检查。对于一致的报文，接收器给予应答；对于不一致的报文，接收器作出标志。休眠模式/唤醒（SleepMode/Wake-up）：为了减少系统电源的功率消耗，可以将CAN器件设为休眠模式来停止内部活动并断开与总线驱动器的连接。休眠模式可以由于任何总线的运作或系统内部条件而结束。唤醒时，在总线驱动器被重新设置为“接通总线”之前，内部运行就已重新开始。振荡器误差（OscillatorTolerance）：位定时的精度要求允许在传输速率为125kbps以内的应用中使用陶瓷谐振器，为了满足CAN协议的整个总线速度范围，需要使用晶体振荡器。在数据传输中，发出报文的节点称为该报文的发送器。报文发送器和接收器确认某个报文为有效的时刻是不同的。构成一帧的帧起始位，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。报文传送由4种不同类型的帧表示和控制：(1)数据帧，携带数据由发送器至接收器(2)远程帧，用以请求发送具有相同标示符的数据帧(3)出错帧，由检测出总线错误的任何单元发送(4)超载帧，用于提供当前和后续数据帧或远程帧之间的附加延迟7.2.2报文传输①数据帧a.帧起始（SOF）一个显位构成数据帧帧间空间帧间空间或超载帧仲裁场控制场数据场CRC场ACK场帧尾帧起始SOF数据帧的组成

仲裁场帧间空间控制场RTR位标示符11位帧起始74

控制场仲裁场数据场或CRC场数据长度码保留位riroDLC3DLC2DLC1DLC0c.控制场由6位组成b.仲裁场由标示符和远程发送请求位（RTR）组成CRC序列CRC界定符CRC场ACK场ACK间隙CRC场ACK场ACK界定符帧结束d.数据场0-8字节，每字节8位，高位在前e.CRC场包括CRC序列，后随CRC界定符f.应答场(ACK)为两位g.帧结束数据帧远程帧均以7个连续的隐位作为结束标志②远程帧作为接收器的节点可以通过向相应的数据源节点发送一个远程帧来激活该源节点，让它把该源节点的数据发送给接收器远程帧帧间空间帧间空间或超载帧仲裁场控制场CRC场ACK场帧结束帧起始SOF③出错帧——由检测出总线错误的任何单元发送出错叠加标志错误界定符出错帧帧间空间或超载帧数据帧出错标志④超载帧——要求推迟下一帧所导致的出错超载标志叠加超载界定符超载帧帧间空间或超载帧帧结束超载标志超载界定符错误界定符⑤帧间空间——数据帧或远程帧，通过帧间空间与前一帧分开。

帧间空间包括间歇场和总线空闲场帧间空间帧帧间歇场总线空闲帧间空间帧帧间歇场总线空闲暂停发送场(a)非“错误认可”帧间空间(b)“错误认可”帧间空间CAN总线中存在5种错误类型（它们并不互相排斥）(1)位错误，总线的位数值与送出的位数值不同时(2)填充错误，出现了6个连续相同的位电平时(3)CRC错误，(4)格式错误，位场中出现了非法位(5)应答错误，在应答间隙，若发送器未检测到显位，出现应答错误7.2.3错误处理(1)正常位速率，理想发送器每秒发送的位数(2)正常位时间，正常位速率的倒数位时间的各组成部分注：时间份额=m×最小时间份额，正常位时间可分为几个互不重叠的时间段7.2.4位定时要求同步段：1个时间份额；传播段：1~8个时间份额；相位缓冲段1：1~8个时间份额；相位缓冲段2：相位缓冲段1和信息处理时间的最大值；时信息处理时间：≤2个时间份额；间份额总数：8~25时间份额：由振荡器周期派生出的一个固定时间单元。

由于各个CAN节点所使用的振荡器频率不可能都是精确的理想值，一般都与其存在一定的误差，使得发送器与接收器各自对位时间的理解存在差异。又由于CAN总线使用了NRZ编码，若没有一定的位定时机制，随着累积误差的增大，终归会使接收器错误地采样到总线上的其它位上。硬同步与重同步就是用于准确位定时的保障机制。

由于只有当e<SJW时，发送器与接收器之间的振荡器误差才能得以完全补偿，其它情况下只是得到部分补偿，并可能会引起接收器读取的数值与发送器发送的实际数值不一致。因此，接收器中CAN位定时参数设计的目的就是要使其在满足总线通信速率的同时，最大可能地去适应发送器与接收器之间的振荡器误差。约束条件-1：受位填充限制。7.2.5振荡器容差约束条件-2：受错误标志影响。其它约束条件：

根据CAN2.0规范，振荡器最大容许误差可至1.58%。小结CAN总线简介CAN技术规范作业：

1.试说明CAN的技术特点及其在实际应用中的优缺点。2.简述报文传送的4种不同类型的帧。7.3.1独立CAN控制器۞

7.3

CAN器件及节点设计SJA1000：SJA1000是一种独立的CAN控制器，主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。它是Philips半导体公司PCA82C200CAN控制器（BasicCAN）的替代产品，而且还增加了一种新的操作模式——PeliCAN，这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。SJA1000的基本特性：引脚与PCA82C200独立CAN控制器兼容；电气参数与PCA82C200独立CAN控制器兼容；具有PCA82C200模式（即默认的BasicCAN模式）；有扩展的接收缓冲器64字节，先进先出（FIFO）；支持CAN2.0A和CAN2.0B协议；支持11位和29位标识码；通信位速率可达1Mbps；24MHz时钟频率；可与不同的微处理器接口；可编程的CAN输出驱动器配置。SJA1000的控制模块：接口管理逻辑：接口管理逻辑（IML）用于解释来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址，向主控制器（CPU）提供中断信息和状态信息；发送缓冲器：发送缓冲器（TXB）是CPU和BSP（位流处理器）之间的接口，它能够存储要通过CAN网络发送的一条完整报文。缓冲器长13字节，由CPU写入、BSP读出；接收缓冲器：接收缓冲器（RXB、RXFIFO）是接收滤波器和CPU之间的接口，用来存储从CAN总线上接收并被确认的信息；验收滤波器：验收滤波器（ACF）把它的内容与接收到的标识码相比较，以决定是否接收这条报文；位流处理器：位流处理器（BSP）是一个在发送缓冲器、RXFIFO和CAN总线之间控制数据流的队列（序列）发生器，它还执行总线上错误检测、仲裁、填充和错误处理；位时序逻辑：位时序逻辑（BTL）监视串行的CAN总线和位时序。它是在一条报文开头，总线传输出现从隐性到显性时同步于CAN总线上的位流（硬同步），并且在其后接收一条报文的传输过程中再同步（软同步）；错误管理逻辑：错误管理逻辑（EML）负责限制传输层模块的错误。7.3.2总线收发器——82C25082C250是CAN控制器与物理总线之间的接口，提供对总线的差动发送和接受功能。特性：①ISO/DIS11898标准完全兼容。②高与速性（最高可达1Mbps）③抗瞬间干扰，保护总线能力。④降低射频干扰的斜率控制。⑤热保护。⑥电源与地之间的短路保护。⑦低电流待机方式。⑧掉电自动关闭输出。⑨可支持多达110个节点相连。注意：对于CAN控制器及带有CAN总线接口的器件，82C250并不是必须使用的器件，因为多数CAN控制器均具有配置灵活的收发接口，并允许总线故障，只是驱动能力一般只允许20~30个节点连接在一条总线上，而82C250支持多达110个节点，并能以1Mbps的速率工作恶劣电气环境下82C250的功能框图7.3.3I/O器件——82C150及节点开发CAN总线上的节点既可是基于微控制器的智能节点，也可以是具有CAN接口的I/O器件。82C150即是一种具有CAN总线接口的模拟和数字I/O接口。82C150的主要功能包括：

(1)CAN接口功能

(2)I/O功能(3)工作特性CAN节点设计电路۞

7.4CAN总线控制系统的应用7.4.1汽车内部CAN总线解决方案CAN总线采用了许多新技术及独特的设计，与其它总线技术相比具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN总线已成为欧洲汽车制造业的主体行业标准，已成为汽车内部电子控制的主流总线。汽车内部总线可分为动力、照明、操作、显示、安全和娱乐等多个子系统，每个连接到总线上的节点称为电子控制装置（ECU）。基于CAN的汽车内部总线的解决方案虽然CAN总线最初是为汽车内部总线而设计的，但目前应用领域很广，如在电梯制造、纺织机械制造、医药系统和工厂自动化等领域均有应用。针对不同的应用领域，基于CAN规范开发出多种应用层协议，如CANKingdom、DeviceNet、SDS、CAL和CANOpen等。7.4.2CAN总线立体车库控制系统立体车库控制系统应用于一种新型液压驱动升降横移式立体车库，该车库主要由一套升降机构和七套横移机构以及一个液压泵站等组成，其中升降机构为液压驱动，横移机构及泵站为电机驱动，系统还有大量接近开关等传感器。FCS以其彻底的开放性、全数字化信号系统和高性能的通信系统，可以使车库控制系统节省硬件数量与投资、节省安装费用与节省维护费用。立体车库控制系统的核心设备是一台基于电液比例控制的液压缸，该液压缸与比例节流阀、位移传感器及控制器等构成闭环控制系统。应用实例——立体车库控制系统控制系统结构框图基于CAN总线的车库控制系统特点：极大提高了车库运行过程的信息化水平：CAN总线技术强大的信息集成及传输能力，使得车库运行过程中大量的信号集成成为可能；减少硬件数量与投资；节省安装费用：由于节省大量电缆，车库现场接线变得十分简单；节省维护费用：CAN总线控制系统结构简单，信号电缆极少，大大减少系统维护工作量；提高系统的控制精度和可靠性：由于CAN总线节点的智能化和数字化，与模拟信号相比，它从根本上减少了传输误差，提高检测与控制精度。7.4.3CAN通信的接口设计与报文设计CAN通信的接口设计主要包括通信控制方案的选择和现场环境的适应性与可靠性设计。通信控制方案有两种：独立CAN控制器方案：采用独立的CAN控制器芯片驱动CAN总线接口，CAN驱动电路相对独立便于模块化设计，节点的微处理器选型容易，适用性强，但是电路设计较复杂，PCB板面积大，可靠性降低。内嵌CAN控制器方案：采用内嵌CAN控制模块微处理器芯片，CAN驱动电路相对简单，集成度更高，设计紧凑，但是节点的微处理器选型受限，且成