控制器局域網(wǎng)CAN總線技術規(guī)范PPT課件.ppt

第四章控制器局域網(wǎng)CAN技術協(xié)議 5 1 CAN總線簡介5 2 CAN總線通信模式5 3 CAN總線的性能特點5 4 CAN總線技術規(guī)范 1 5 1 CAN總線簡介 控制器局域網(wǎng)絡 ControllerAreaNetwork簡稱CAN 主要用于各種過程 設備 監(jiān)測及控制 CAN最初是由德國的Bosch公司為汽車的監(jiān)測與控制設計的 但由于CAN總線本身的突出特點 其應用領域目前已不再局限于汽車行業(yè) 而向過程工業(yè) 機械工業(yè) 機器人 數(shù)控機床 醫(yī)療器械及傳感器等領域發(fā)展 由于其高性能 高可靠性及獨特的設計 CAN總線越來越受到人們的重視 國際上已經(jīng)有很多大公司的產(chǎn)品采用了這一技術 CAN已經(jīng)形成國際標準 ISO11898 并已成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術之一 2 5 2CAN總線的通信模式 第一 載波監(jiān)測 多主掌控 沖突避免這就允許在總線上的任一設備有同等的機會取得總線的控制權來向外發(fā)送信息 如果在同一時刻有兩個以上的設備欲發(fā)送信息 就會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突 CAN總線能夠實時地檢測這些沖突情況并作出相應的仲裁而不會破壞待傳之信息 第二 信息報文在傳送時不是基于目的站點地址 這就允許不同的信息以 廣播 的形式發(fā)送到所有節(jié)點并且可在不改變信息格式的前提下對報文進行不同配置 第三 CAN總線是一種高速的 具備復雜的錯誤檢測和恢復能力的高可靠性強有力的網(wǎng)絡 3 5 2CAN總線的通信模式 一 CSMA CD 載波監(jiān)測 多主掌控 沖突避免 載波監(jiān)測 的意思是指在總線上的每個節(jié)點在發(fā)送信息報文前都必須監(jiān)測到總線上有一段時間的空閑狀態(tài) 多主掌控 的意思是一旦此一空閑狀態(tài)被監(jiān)測到 那么每個節(jié)點都有均等的機會來發(fā)送報文 沖突避免 是指在兩上節(jié)點同時發(fā)送信息時 節(jié)點本身首先會檢測到出現(xiàn)沖突 然后采取相應的措施來解決這一沖突情況 此時優(yōu)先級高的報文先發(fā)送 低優(yōu)先級的報文發(fā)送會暫停 在CAN總線協(xié)議中是通過一種非破壞性的仲裁方式來實現(xiàn)沖突檢測 這也就意味著當總線出現(xiàn)發(fā)送沖突時 通過仲裁后原發(fā)送信息不會受到任何影響 所有的仲裁判別都不會破壞優(yōu)先級高的報文信息內(nèi)容 也不會對其發(fā)送產(chǎn)生任何的時延 4 5 2CAN總線的通信模式 如何實現(xiàn)非破壞性的位仲裁 為了達到這種 非破壞性的位仲裁方式 CAN總線協(xié)議必須滿足一些前提條件 首先 必須定義兩種邏輯狀態(tài) 在這里叫作 支配位 DOMINANT 又稱 顯性 電平 和 順從位 RECESSIVE 又稱 隱性 電平 然后 節(jié)點在發(fā)送過程中必須檢測剛剛發(fā)出的狀態(tài)是否就是信息中所描述的內(nèi)容 在CAN總線的定義中 邏輯0為支配位 邏輯1為順從位 5 5 2CAN總線的通信模式 如何沖突仲裁 支配位一定會在和順從位的判別過程中獲勝 換句話說 報文標記區(qū) 報文仲裁專用區(qū)域 的值越小 其優(yōu)先級就越高 舉個例子 假定有兩個節(jié)點在同一時刻發(fā)送一個報文 每個節(jié)點都會監(jiān)測總線以便了解欲發(fā)送的信息狀態(tài)是否確實出現(xiàn)在總線上 一個優(yōu)先級較低的報文在某一時刻會發(fā)送一個 順從位 但是檢測回來的卻是 支配位 此時這個節(jié)點被仲裁為發(fā)送權取消 立刻停止發(fā)送報文的工作 優(yōu)先級較高的報文繼續(xù)發(fā)送直到完整的報文發(fā)送完畢 在剛才沖突仲裁中被取消發(fā)送權的節(jié)點將等待總線的下一個空閑期并自動地再次嘗試發(fā)送 6 5 2CAN總線的通信模式 二 基于報文的通訊CAN總線是一個基于報文而不是基于站點地址的協(xié)議 也就是說報文不是按照地址從一個節(jié)點傳送到另一個節(jié)點 CAN總線上報文所包含的內(nèi)容只有優(yōu)先級標志區(qū)和欲傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容 所有節(jié)點都會接收到在總線上傳送的報文 并在正確接后發(fā)出應答確認 至于該報文是否要做進一步的處理或被丟棄將完全取決于接收節(jié)點本身 同一個報文可以發(fā)送給特定的站點或許多站點 就看你怎樣去設計你的網(wǎng)絡和系統(tǒng) 基于報文的這種協(xié)議另外一個好處是新的節(jié)點可以隨時方便地加入到現(xiàn)有的系統(tǒng)中 而不需對所有節(jié)點進行重新編程以便它們能識別這一新節(jié)點 一旦新節(jié)點加入到網(wǎng)絡中 它就開始接收信息 判別信息標識 然后決定是否作處理或直接丟棄 如何去實現(xiàn) 7 5 2CAN總線的通信模式 CAN總協(xié)議另外一個有用的特性是一個節(jié)點可以主動要求其它節(jié)點發(fā)送信息 這種特性叫做 遠端發(fā)送請求 RTR 和上例不同之處在于 節(jié)點并不等待信息的到來 而是主動去索取 如 汽車中的中央安全系統(tǒng)會頻繁地更新一些象安全氣袋等關鍵傳感器的信息 但是有些信息如油壓傳感器或電池電壓傳感器可能不會也不需要經(jīng)常收到 為了確保了解這些設備是否工作正常 系統(tǒng)必須定期地要求此類設備發(fā)送相關的信息以便檢查整個系統(tǒng)的工作情況 設計人員就可以利用這一 遠端發(fā)送請求 特性來減少網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通訊量 同時維持整個系統(tǒng)的完整性 8 5 2CAN總線的通信模式 CAN總線定義了四種不同的幀 用于總線通訊 1 最常用的是 數(shù)據(jù)幀 用于一個節(jié)點傳送信息到其它任一或所有節(jié)點 2 遠端幀 基本上是一個數(shù)據(jù)幀但其中的RTR位被置1 表明這是一個 遠端發(fā)送請求 用于一個節(jié)點主動要求其它節(jié)點發(fā)送信息 3 錯誤幀 如果節(jié)點在接收過程中檢測到任一在CAN總線協(xié)議中定義了的錯誤信息 它就會發(fā)送一個錯誤幀 4 過載幀 當一個節(jié)點正忙于處理接收的信息 需要額外的等待時間接收下一報文時 可以發(fā)送過載幀 通知其它節(jié)點暫緩發(fā)送新報文 9 5 2CAN總線的通信模式 三 CAN總線是一種高速的 具備復雜的錯誤檢測和恢復能力的高可靠性強有力的網(wǎng)絡 1 高速性 CAN總線一開始是為汽車工業(yè)而設計的 如果要使這一市場能夠接受它 一個能高效處理出錯情況的通訊協(xié)議是至關重要的 在發(fā)布了2 0B版的CAN總線技術規(guī)范后 其最大的通訊速率已經(jīng)比1 0版提高了8倍 達1M位 秒 在這種速率下 即便是對時間要求非常關鍵的參數(shù)也可以通過CAN總線傳輸而不必擔心其時延 10 5 2CAN總線的通信模式 2 CAN總線協(xié)議有一套完整的差錯管理機制能夠自動地檢測出這些錯誤信息 由此保證了被傳信息的正確必性和完整性 錯誤類型發(fā)送錯誤可通過 CRC出錯 檢測到 普通接收錯誤可通過 應答出錯 檢測到 CAN報文格式錯誤可通過 格式出錯 檢測到 CAN總線信號錯誤可通過 位出錯 檢測到 同步和定時錯誤可通過 阻塞出錯 檢測到 11 5 2CAN總線的通信模式 每個CAN總線上的節(jié)點都有一個出錯計數(shù)器用以記錄各種錯誤發(fā)生的次數(shù) 取決于出錯的嚴重性 通過這些計數(shù)器就可以確認這些節(jié)點是否應工作到降級模式 總線上的節(jié)點可以從正常工作模式 正常收發(fā)數(shù)據(jù)和出錯信息 降級到消極工作模式 只有在總線空閑時才能取得控制權 或者到關斷模式 和總線隔離 CAN總線上各節(jié)點還有能力監(jiān)測是短期的干擾還是永久性的故障 并采取相關的應對措施 這種特性被叫做 故障界定隔離 采取了這種故障界定隔離措施后 故障節(jié)點將會被及時關斷 不會永久占用總線 這一點對關鍵信息能在總線上暢通無阻地傳送是非常重要的 12 5 3CAN總線的技術特點 由于其采用了許多新技術及獨特的設計與一般的通信總線相比 CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性 實時性和靈活性 其特點可概括如下 1 CAN為多主工作方式 網(wǎng)絡上任意以節(jié)點均可在任意時刻主動的地向網(wǎng)絡上其它節(jié)點發(fā)送信息 而不分主從 2 CAN網(wǎng)絡上的節(jié)點信息分為不同的優(yōu)先級 可滿足不同的實時要求 高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在134 s內(nèi)得到傳輸 3 CAN采用非破壞性總線仲裁技術 當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時 優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送 而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響的繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù) 4 CAN程序通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點 一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù) 無需專門的 調(diào)度 13 5 3CAN總線的技術特點 5 CAN的直線通信距離最長可達10km 速率5Kbps以下 通信速率最高可達1Mbps 此時通信距離最長為40m 6 CAN上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅動電路 目前可達128個 報文標識符可達2032種 CAN2 0A 而擴展標準 CAN2 0B 的報文標識符幾乎不受限制 7 采用短幀結構 傳輸時間短 受干擾概率低 具有良好的檢錯效果 14 5 3CAN總線的技術特點 8 CAN的每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施 保證了數(shù)據(jù)出錯率極低 9 CAN的通信介質可為雙絞線 同軸電纜或光纖 選擇靈活 10 CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出的功能 以使總線上其它節(jié)點的操作不受限制 15 5 4CAN總線的技術規(guī)范 隨著CAN在各種領域的應用和推廣 對其通信格式的標準化提出了要求 為此 1991年9月PhilipsSemiconductors制定并發(fā)布了CAN技術規(guī)范 Version2 0 該技術規(guī)范包括A和B兩部分 CAN技術規(guī)范2 0A給出了報文標準格式 CAN技術規(guī)范2 0B給出標準和擴展的兩種報文格式 這里主要介紹CAN技術規(guī)范2 0B 16 5 4CAN總線的技術規(guī)范 5 4 1CAN的分層結構5 4 2CAN報文傳送及總線上的位電平表示5 4 3CAN總線報文的幀結構5 4 4錯誤類型和界定5 4 5位定時與同步 17 5 4CAN總線的技術規(guī)范 5 4 1CAN的分層結構為了使設計透明和執(zhí)行靈活 遵循ISO OSI標準模型 CAN分為數(shù)據(jù)鏈路層 包括邏輯鏈路層LLC和媒體訪問控制層MAC 和物理層 在CAN技術規(guī)范2 0A的版本中 數(shù)據(jù)鏈路層的LLC和MAC子層的服務和功能被描述為 目標層 和 傳輸層 18 5 4CAN總線的技術規(guī)范 媒體訪問控制子層MAC子層的功能主要是傳送規(guī)則 以及控制幀結構 執(zhí)行仲裁 錯誤檢測 出錯標定和故障界定 MAC子層也要確定為開始一次新的發(fā)送 總線是否開放或者是否馬上開始接收 位定時也是MAC子層的一部分 物理層的功能是有關全部電氣特性不同的節(jié)點間位的實際傳送 邏輯鏈路子層LLC子層的主要功能是報文濾波 超載通知和恢復管理 19 5 4CAN總線的技術規(guī)范 圖1 CAN的分層結構和功能 20 5 4CAN總線的技術規(guī)范 5 4 2CAN報文傳送及總線上的位電平表示 1 進行數(shù)據(jù)傳送時 發(fā)出報文的單元成為該報文的發(fā)送器 該單元在總線空閑或丟失仲裁前恒為發(fā)送器 2 如果一個單元不是報文發(fā)送器 并且總線不出現(xiàn)空閑狀態(tài) 則該單元為接收器 對于報文接收器和發(fā)送器 報文的實際有效時刻是不同的 1 對于發(fā)送器而言 如果直到幀結束末尾一直未出錯 則對于發(fā)送器報文有效 如果報文受損 將允許按照優(yōu)先權順序自動重發(fā) 為了能同其它總線訪問競爭 總線一旦空閑 重發(fā)送立即開始 2 對于報文接收器而言 如果直到幀結束的最后一位一直未出錯 則對于接收器報文有效 21 5 4CAN總線的技術規(guī)范 當發(fā)送器在發(fā)送的位流中檢測到5為連續(xù)的相同數(shù)值時 將自動的在實際發(fā)送的位流中插入一個補碼位 而數(shù)據(jù)幀和遠程幀的其余位場則采用固定格式 不進行填充 出錯幀和超載幀同樣是固定格式 位填充規(guī)則構成一幀的幀起始 仲裁場 控制場 數(shù)據(jù)場和CRC序列均借助位填充規(guī)則進行編碼 22 5 4CAN總線的技術規(guī)范 報文中的位流是按照非歸零 NZR 碼方法編碼的 這意味著一個完整的位電平要么是顯性 要么是隱性 在 隱性 狀態(tài)下 Vcanh和Vcanl被固定于平均電壓電平 Vdiff近似為零 在總線空閑或 隱性 位期間 發(fā)送 隱性 狀態(tài) 顯性 狀態(tài)以大于最小閥值的差分電壓表示 如圖2所示 在 顯性 位期間 顯性 狀態(tài)改寫 隱性 狀態(tài)并發(fā)送 23 5 3CAN總線的技術規(guī)范 圖2 總線上的位電平表示 24 5 4CAN總線的技術規(guī)范 5 4 3CAN總線報文的幀結構CAN總線的報文傳送由4種不同類型的幀表示和控制 數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器至接收器 遠程幀通過總線單元發(fā)送 以請求發(fā)送具有相同標識符的數(shù)據(jù)幀 出錯幀由檢測出總線錯誤的任何單元發(fā)送 超載幀用于提供當前的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀的附加延遲 數(shù)據(jù)幀和遠程幀借助幀間空間和當前幀分開 25 5 4CAN總線的技術規(guī)范 1 數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成 即幀起始 仲裁場 控制場 數(shù)據(jù)場 CRC場 應答場和幀結束 數(shù)據(jù)長度可為0 CAN技術規(guī)范2 0B數(shù)據(jù)幀的組成如圖3所示 圖3 數(shù)據(jù)幀的組成 26 5 4CAN總線的技術規(guī)范 在CAN技術規(guī)范2 0B中存在兩種不同的幀格式 其主要區(qū)別在于標識符的長度 具有11位標識符的幀稱為標準幀 而包括29位標識符的稱為擴展幀 標準格式和擴展格式的數(shù)據(jù)幀結構如圖4 圖5所示 圖4 標準格式的數(shù)據(jù)幀 27 5 4CAN總線的技術規(guī)范 圖4 擴展格式的數(shù)據(jù)幀 SRR 替代遠程請求IDE 標識位擴展位RTR 遠程發(fā)送請求位 28 5 4CAN總線的技術規(guī)范 CAN技術規(guī)范2 0B對報文濾波特別加以描述 報文濾波器以整個標識符位基準 屏蔽寄存器可用于選擇一組標識符 以便映像至接收緩存器中 屏蔽寄存器每一位都必須是可編程的 它的長度可以是整個標識符 也可以僅是其中一部分 29 5 4CAN總線的技術規(guī)范 1 幀起始 SOF 標志數(shù)據(jù)幀和遠程幀的起始 它僅由一個顯性位構成 只有在總線處于空閑狀態(tài)時 才允許單元開始發(fā)送 所有單元都必須同步于首先開始發(fā)送的那個單元的幀起始前沿 30 5 4CAN總線的技術規(guī)范 圖6 仲裁場組成 2 仲裁場由標識符和遠程發(fā)送請求位 RTR 組成 如圖6所示 31 5 4CAN總線的技術規(guī)范 對于CAN技術規(guī)范2 0A 標識符的長度為11位 這些位一從高位到低位的順序發(fā)送 最低位為ID 0 其中最高7位不能全為隱性 RTR位在數(shù)據(jù)幀中必須為顯性 而在遠程幀中必須為隱性 CAN技術規(guī)范2 0A數(shù)據(jù)幀 32 5 4CAN總線的技術規(guī)范 對于CAN技術規(guī)范2 0B 標準格式和擴展格式的仲裁場不同 在標準格式中 11位標識符和遠程發(fā)送請求位RTR組成 標識符位為ID 28 ID 18 RTR位在數(shù)據(jù)幀中必須為顯性 而在遠程幀中必須為隱性 為區(qū)別標準格式和擴展格式 將CAN技術規(guī)范2 0A中的r1改記為IDE位 CAN技術規(guī)范2 0B的標準格式 33 5 4CAN總線的技術規(guī)范 對于CAN技術規(guī)范2 0B 在擴展格式中 仲裁場 29位標識符ID 28 ID 0 替代遠程請求SRR位 隱性位 標識位擴展位IDE 隱性位 遠程發(fā)送請求位RTR 34 5 4CAN總線的技術規(guī)范 SRR的全稱是 替代遠程請求位 SubstituteRemoteRequestBIT SRR是一隱性位 它在擴展格式的標準幀RTR位上被發(fā)送 并代替標準幀的RTR位 因此 如果擴展幀的基本ID和標準幀的識別符相同 標準幀與擴展幀的沖突是通過標準幀優(yōu)先于擴展幀這一途徑得以解決的 35 5 4CAN總線的技術規(guī)范 IDE的全稱是 識別符擴展位 IdentifierExtensionBit 對于擴展格式 IDE位屬于仲裁場 對于標準格式 IDE位屬于控制場 標準格式里的IDE位為 顯性 而擴展格式里的IDE位為 隱性 通過判別SRR和IDE是否均為隱性識別為擴展格式 而不是標準格式的數(shù)據(jù)幀或遠程幀 36 5 4CAN總線的技術規(guī)范 CAN2 0B的擴展幀和CAN2 0A和CAN2 0B的標準幀一樣 在數(shù)據(jù)幀中RTR位必須為顯性 而在遠程幀中必須為隱性 37 5 4CAN總線的技術規(guī)范 3 控制場由6位組成 由圖可見 控制場包括數(shù)據(jù)長度碼和兩個保留位 這兩個保留位必須發(fā)送顯性位 但接收器認可顯性和隱性的全部組合 數(shù)據(jù)長度碼DLC指出數(shù)據(jù)場的字節(jié)數(shù)目 數(shù)據(jù)長度碼為四位 在控制場中被發(fā)送