CAN總線概述和MVB總線

1、CAN總線概述1. CAN 總線的產(chǎn)生與發(fā)展控制器局部網(wǎng)（CANCONTROLLER AREA NETWORK）是 BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應用領(lǐng)先推出的一種多主機局部網(wǎng)，由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)自動化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門。控制器局部網(wǎng)將在我國迅速普及推廣。隨著計算機硬件、軟件技術(shù)及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)已成為計算機技術(shù)應用領(lǐng)域中最具活力的一個分支，并取得了巨大進步。由于對系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)為：控制面向多元化，系統(tǒng)面向分散化，即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。分散式工業(yè)控制系統(tǒng)就是為適應

2、這種需要而發(fā)展起來的。這類系統(tǒng)是以微型機為核心，將5C 技術(shù) -COMPUTER（計算機技術(shù)）、CONTROL（自動控制技術(shù)）、COMMUNICATION（通信技術(shù)）、CRT（顯示技術(shù)）和CHANGE（轉(zhuǎn)換技術(shù)）緊密結(jié)合的產(chǎn)物。它在適應范圍、可擴展性、可維護性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統(tǒng)和集中型計算機控制系統(tǒng)都具有明顯的優(yōu)越性。典型的分散式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備、接口與計算設(shè)備以及通信設(shè)備組成。現(xiàn)場總線（FIELDBUS）能同時滿足過程控制和制造業(yè)自動化的需要，因而現(xiàn)場總線已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中最為活躍的一個領(lǐng)域?，F(xiàn)場總線的研究與應用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域的熱點。盡管目前對現(xiàn)場總

3、線的研究尚未能提出一個完善的標準，但現(xiàn)場總線的高性能價格比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。同時，正由于現(xiàn)場總線的標準尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)場總線的應用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場總線的完善提供更加豐富的依據(jù)?？刂破骶植烤W(wǎng)CAN（ CONTROLLERAERANETWORK）正是在這種背景下應運而生的。由于 CAN為愈來愈多不同領(lǐng)域采用和推廣，導致要求各種應用領(lǐng)域通信報文的標準化。為此， 1991 年 9 月 PHILIPSSEMICONDUCTORS制訂并發(fā)布了CAN 技術(shù)規(guī)范（ VERSION2.0 ）。該技術(shù)規(guī)范包括A 和 B 兩部分。 2.0A 給出了曾在CAN技術(shù)規(guī)范版本1.2 中定義的CA

4、N報文格式，而2.0B 給出了標準的和擴展的兩種報文格式。此后， 1993 年 11 月 ISO 正式頒布了道路交通運載工具 - 數(shù)字信息交換 - 高速通信控制器局部網(wǎng)（ CAN）國際標準（ ISO11898 ），為控制器局部網(wǎng)標準化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。2. CAN 總線特點CAN總線是德國BOSCH公司從 80 年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1MBPS。 CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊

5、編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11 位或 29位二進制數(shù)組成， 因此可以定義 211 或 229 個不同的數(shù)據(jù)塊， 這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8 個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用 CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性

6、。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設(shè)計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連， 因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。另外， CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。 CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標準化組織認證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。CAN總線插卡可以任意插在 PC AT XT 兼容機上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。3. CAN 總線技術(shù)介紹3.1 位仲裁要對數(shù)

7、據(jù)進行實時處理,就必須將數(shù)據(jù)快速傳送,這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時,要求快速地進行總線分配。實時處理通過網(wǎng)絡交換的緊急數(shù)據(jù)有較大的不同。一個快速變化的物理量,如汽車引擎負載,將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數(shù)據(jù)并要求更短的延時。CAN 總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送,報文的優(yōu)先級結(jié)合在11 位標識符中,具有最低二進制數(shù)的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設(shè)計時被確立后就不能再被更改。總線讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖 2 所示 ,當幾個站同時發(fā)送報文時,站 1 的報文標識符為011111;站 2 的報文標識符為010011

8、0; 站 3 的報文標識符為0100111。所有標識符都有相同的兩位01,直到第 3 位進行比較時,站 1 的報文被丟掉,因為它的第3 位為高 ,而其它兩個站的報文第3 位為低。站 2 和站 3 報文的 4、5、6 位相同 ,直到第 7 位時 ,站 3 的報文才被丟失。注意,總線中的信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權(quán)的站的報文。在此例中,站 2 的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點在于 ,在網(wǎng)絡最終確定哪一個站的報文被傳送以前,報文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡上傳送了。所有未獲得總線讀取權(quán)的站都成為具有最高優(yōu)先權(quán)報文的接收站,并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文。CAN 具有較高的效率是因為總線僅僅被那

9、些請求總線懸而未決的站利用,這些請求是根據(jù)報文在整個系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡負載較重時有很多優(yōu)點,因為總線讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了,這可以保證在實時系統(tǒng)中較低的個體隱伏時間。對于主站的可靠性,由于 CAN 協(xié)議執(zhí)行非集中化總線控制,所有主要通信,包括總線讀取(許可 )控制,在系統(tǒng)中分幾次完成。這是實現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。3.2 CAN 與其它通信方案的比較在實踐中 ,有兩種重要的總線分配方法:按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中,不管每個節(jié)點是否申請總線,都對每個節(jié)點按最大期間分配。由此,總線可被分配給每個站并且是唯一的站 ,而不論其是立即進行

10、總線存取或在一特定時間進行總線存取。這將保證在總線存取時有明確的總線分配。 在第二種方法中,總線按傳送數(shù)據(jù)的基本要求分配給一個站,總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配 (如 :Ethernet CSMA/CD)。因此 ,當多個站同時請求總線存取時,總線將終止所有站的請求,這時將不會有任何一個站獲得總線分配。為了分配總線,多于一個總線存取是必要的。CAN 實現(xiàn)總線分配的方法,可保證當不同的站申請總線存取時,明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的碰撞問題。不同于Ethernet 網(wǎng)絡的消息仲裁,CAN 的非破壞性解決總線存取沖突的方法,確保在不傳送有用消息時總線不被占用。甚

11、至當總線在重負載情況下,以消息內(nèi)容為優(yōu)先的總線存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。雖然總線的傳輸能力不足 ,所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在 CSMA/CD 這樣的網(wǎng)絡中,如 Ethernet,系統(tǒng)往往由于過載而崩潰,而這種情況在CAN 中不會發(fā)生。3.3 CAN 的報文格式在總線中傳送的報文,每幀由 7 部分組成 ,見圖 3。CAN 協(xié)議支持兩種報文格式,其唯一的不同是標識符 (ID) 長度不同 ,標準格式為11 位 ,擴展格式為29 位。在標準格式中,報文的起始位稱為幀起始(SOF), 然后是由11 位標識符和遠程發(fā)送請求位(RTR) 組成的仲裁場。RTR 位標明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀,

12、在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。控制場包括標識符擴展位(IDE), 指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位(ro),為將來擴展使用。它的最后四個字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度(DLC) 。數(shù)據(jù)場范圍為0 8個字節(jié) ,其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC) 。應答場 (ACK) 包括應答位和應答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平(邏輯 1), 這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平(邏輯 0) 覆蓋它。 用這種方法 ,發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡中至少有一個站能正確接收到報文。報文的尾部由幀結(jié)束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位,如果這時沒有站進行總線存取 ,總線將處于空閑狀態(tài)。3.4 數(shù)

13、據(jù)錯誤檢測不同于其它總線,CAN 協(xié)議不能使用應答信息。事實上,它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。 CAN 協(xié)議可使用五種檢查錯誤的方法,其中前三種為基于報文內(nèi)容檢查。3.4.1 循環(huán)冗余檢查(CRC)在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC 可判斷報文是否有錯。3.4.2 幀檢查這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性,用于檢查格式上的錯誤。3.4.3. 應答錯誤如前所述 ,被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發(fā)送站未收到應答,那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯誤,也就是說 ,ACK 場已損壞或網(wǎng)絡中的報文無站接收。CAN 協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯誤。3

14、.4.4 總線檢測有時 ,CAN 中的一個節(jié)點可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。因此 ,發(fā)送報文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。3.4.5 位填充一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示,可保證位編碼的最大效率。然而,如果在一幀報文中有太多相同電平的位,就有可能失去同步。為保證同步,同步沿用位填充產(chǎn)生。在五個生。在五個連續(xù)相等位后,發(fā)送站自動插入一個與之互補的補碼位;接收時 ,這個填充位被自動丟掉。例如 ,五個連續(xù)的低電平位后,CAN 自動插入一個高電平位。CAN 通過這種編碼規(guī)則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6 個相同位 ,CAN 就知道發(fā)生了錯誤。如果至少有一個站通過以上方法探測到一個或多個錯

15、誤,它將發(fā)送出錯標志終止當前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文,并保證網(wǎng)絡上報文的一致性。當大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后,發(fā)送站會自動地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。作為規(guī)則,在探測到錯誤后23 個位周期內(nèi)重新開始發(fā)送。在特殊場合 ,系統(tǒng)的恢復時間為31 個位周期。但這種方法存在一個問題,即一個發(fā)生錯誤的站將導致所有數(shù)據(jù)被終止,其中也包括正確的數(shù)據(jù)。因此 ,如果不采取自監(jiān)測措施,總線系統(tǒng)應采用模塊化設(shè)計。為此,CAN 協(xié)議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區(qū)別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統(tǒng)計評估來確定一個站本身的錯誤并進入一種不會對其它站產(chǎn)生不良影響的運行方法來實現(xiàn),即站可以通過關(guān)閉自己來阻止正常

16、數(shù)據(jù)因被錯誤地當成不正確的數(shù)據(jù)而被終止。3.4.6 CAN 可靠性為防止汽車在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)交換錯誤而對司機造成危險,汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃宰銐蚋?或者殘留下來的數(shù)據(jù)錯誤足夠低的話,這一目標不難實現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看,可靠性可以理解為,對傳輸過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯誤的識別能力。殘余數(shù)據(jù)錯誤的概率可以通過對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計測量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯誤概率必須非常小,使其在系統(tǒng)整個壽命周期內(nèi),按平均統(tǒng)計時幾乎檢測不到。 計算殘余錯誤概率要求能夠?qū)?shù)據(jù)錯誤進行分類,并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。 如

17、果要確定 CAN 的殘余錯誤概率 ,我們可將殘留錯誤的概率作為具有80 90 位的報文傳送時位錯誤概率的函數(shù),并假定這個系統(tǒng)中有5 10 個站 ,并且錯誤率為 1/1000, 那么最大位錯誤概率為 10 13 數(shù)量級。例如 ,CAN 網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸率最大為1Mbps, 如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用 50%,那么對于一個工作壽命4000 小時、平均報文長度為80 位的系統(tǒng) ,所傳送的數(shù)據(jù)總量為 9×1010。在系統(tǒng)運行壽命期內(nèi),不可檢測的傳輸錯誤的統(tǒng)計平均小于10 2 量級。 換句話說 ,一個系統(tǒng)按每年 365 天 ,每天工作 8小時 ,每秒錯誤率為 0. 7計算 ,那么按統(tǒng)計平均,每 10

18、00年才會發(fā)生一個不可檢測的錯誤。4.應用舉例某醫(yī)院現(xiàn)有5 臺 16T/H 德國菲斯曼燃氣鍋爐，向洗衣房、制劑室、供應室、生活用水、暖氣等設(shè)施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然氣1200萬m3, 耗用20 萬噸自來水。醫(yī)院采用接力式方式供熱，對熱網(wǎng)進行地域性管理，分四大供熱區(qū)。其中冬季暖氣的用氣量很大，據(jù)此設(shè)計了基于 CAN 現(xiàn)場總線的分布式鍋爐蒸汽熱網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場應用表明：該樓宇自動化系統(tǒng)具有抗干擾能力強，現(xiàn)場組態(tài)容易，網(wǎng)絡化程度高，人機界面友好等特點。摘 要：介紹了MVB總線的物理層、幀和報文的格式與時序, 以及其在廣州地鐵2 號線、深圳地鐵1 號線、上海地鐵1 號線延長線等車輛

19、控制系統(tǒng)中的成功應用。關(guān)鍵詞：地鐵 列車 ; 多功能車輛總線( MVB) ;幀 ; 報文 ; 自動控制地鐵2 號線、深圳地鐵1 號線、上海地鐵1 號線延長線的列車均采用了符合IEC61375TCN標準的德國總線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由列車總線( WTB)和多功能車輛總線( MVB)兩部分組成 , 單元 ( 整個列車6 輛車為一個編組, 3 輛車為1 個單元 ) 內(nèi)用MVB總線連接 ,兩個單元間用WTB總線連接 , MVB總線實現(xiàn)車輛控制, WTB總線實現(xiàn)列車控制。1 MVB總線的物理層和鏈路層MVB總線模型是在開放系統(tǒng)互聯(lián)OSI 模型的基礎(chǔ)上進行了簡化。OSI具有 7 層參考模型, 而 MVB只有其

20、中的物理層和鏈路層。1.1 物理層MVB總線的物理層有3 種 :1) ESD(電的短距離傳輸介質(zhì)) , 使用雙絞屏蔽線, 按 RS- 485標準 , 最多支持32 個設(shè)備 ,最大總線長度20 m。2) EMD( 電的中距離傳輸介質(zhì) ) , 使用雙絞屏蔽線 , 最多 支持 32 個設(shè)備 , 最大總線長度200 m。允許使用變壓器連接。3) OGF( 光纖媒介 ) , 使用總線連接器 , 傳輸距離可達 2 km 。MVB總線系統(tǒng)是分級控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)備共分5 個級別 , 6 種能力 :1) 1 級設(shè)備具有的能力有設(shè)備狀態(tài)和過程數(shù)據(jù)。設(shè)備端口地址一般與設(shè)備地址一致。2) 2 級設(shè)備具有的能力有設(shè)備狀

21、態(tài) , 過程數(shù)據(jù) , 信息數(shù)據(jù) , 是智能設(shè)備可以通過總線配置 ,但不能編程。3) 3 級設(shè)備具有的能力有設(shè)備狀態(tài) , 過程數(shù)據(jù) , 信息數(shù)據(jù)和用戶編程。4) 4 級設(shè)備具有的能力有設(shè)備狀態(tài)、過程數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)和總線管理器。用戶編程具有可選性。5) 5 級設(shè)備具有的能力有設(shè)備狀態(tài)、過程數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)、網(wǎng)關(guān)和總線管理器。具有總線管理器的網(wǎng)關(guān)能與各種總線同步。1.2 鏈路層數(shù)據(jù)1.2.1幀和報文格式有效的幀格式見圖11) 主幀格式 : 以主起動定界符開始 , 接著是 16 位報文數(shù)據(jù) , 然后是 8 位校驗序列。 4 位F_code碼限制下面的12 位并指示從幀大小, 如圖2 所示。2) 從幀格式

22、 : 以從起動定界符開始列在 64 位數(shù)據(jù)的每個字后或在, 接著是16, 32,64, 12816, 32位數(shù)據(jù)后。 幀文每或 256位幀數(shù)據(jù) , 8 位校驗序64 位后就有一個校驗序列, 如圖3所示。3) 報文時序 : 主幀和響應它的從幀稱為一個報文。4) 報文類型 : 過程數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)和監(jiān)管數(shù)據(jù)報文。1.2.2數(shù)據(jù)分布媒介訪問是通過總線管理器實現(xiàn)的, 周期循環(huán)。 基本周期分為 4個階段 : 周期階段 , 監(jiān)管階段, 事件階段 , 警惕階段 , 見圖4。其中事件階段、 監(jiān)管階段和警惕階段構(gòu)成臨時階段。MVB總線的數(shù)據(jù)分為過程數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)和監(jiān)管數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)分布為: 過程數(shù)據(jù)為周期發(fā)布, 信

23、息數(shù)據(jù)和監(jiān)管數(shù)據(jù)發(fā)布周期不固定。過程數(shù)據(jù)都是一些非常重要的數(shù)據(jù), 如牽引速度 , 加速度的值等。2 硬件及軟件簡介2.1 硬件系統(tǒng)硬件主要包括車輛控制器 VTCU 人機顯示器 MMI 及相關(guān)子系統(tǒng)。、總線連接器、輸入輸出單元、通訊連接器ComC、車輛控制器VTCU即總線控制器, 每個3 節(jié)車單元各一個, 共由7 塊板組成 , 自帶插槽和電源 , 是標準的模塊化系統(tǒng)。車輛控制單元由 網(wǎng) 關(guān)( VTCU- GW) ,VCUT,VCUA 及 VTCU的電源組成。網(wǎng)關(guān)控制列車總線( WTB) 和車輛總線 ( MVB) ,并在兩個總線系統(tǒng)間轉(zhuǎn)換過程和信息數(shù)據(jù)。列車診斷板VCUT 上有板載數(shù)據(jù)庫 ( OD

24、BS) ,可通過 RS422 接口控制人機界面。列車應用程序板VCUA里包含著列車和車輛的控制程序。VTCU 的電源提供 110V直流電源 , 并與供電系統(tǒng)的電勢隔離?？偩€連接器具有連接不同車輛總線的作用, 同時也能起到信號放大的作用。輸入輸出單元由數(shù)字輸入輸出單元DX和模擬輸入輸出單元AX組成。 數(shù)字輸入輸出單元DX的數(shù)字數(shù)據(jù)I/O接口一般直接連到繼電器觸點上。每輛車都有很多DX,每個DX都可以設(shè)置地址。電源電壓DC48 120 V,10位輸入, 6位輸出。1位報警器輸出模擬輸入輸出單元AX有模擬數(shù)據(jù)I/O接口 ,每個AX也有自己的地址; 4位模擬輸入(±10 V,±20mA) ; 2位模擬輸出。只有非常少的幾處, 如牽引力大小等使用模擬量。通訊連接器ComC主要用于沒有MVB 總線的第三方供貨的通訊設(shè)備MC68360 處理器 ,具有 2MB閃存和1 MB( 靜態(tài)存儲器