CAN總線的應(yīng)用分析.doc

CAN總線的應(yīng)用分析Hefei University集散控制與現(xiàn)場總線題目名稱： CAN現(xiàn)場總線應(yīng)用分析 姓 名： 學(xué) 號： 0905075015 班 級： 09自動化(2)班 指導(dǎo)教師： 丁 健 完成日期： 2012.12.5 目 錄一、CAN 總線的簡介21.1 CAN總線發(fā)展21.2 CAN總線的特點3二、CAN總線的結(jié)構(gòu)和原理42.1CAN總線結(jié)構(gòu)42.1.1 CAN系統(tǒng)組成42.1.2 CAN總線的物理接口42.2 CAN總線的工作原理4三、CAN總線技術(shù)在風(fēng)行景逸車身電子控制上的應(yīng)用分析53.1必要性分析53.1.1 電氣控制的現(xiàn)狀53.1.2實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)的便利性63.2可行性分析73.2.1 CAN控制器接口芯片現(xiàn)狀分析73.2.2 CAN總線技術(shù)在汽車車身控制上應(yīng)用現(xiàn)狀分析73.3風(fēng)行景逸車身電子控制CAN網(wǎng)絡(luò)方案73.3.1 CANBUS系統(tǒng)設(shè)計大綱73.3.2風(fēng)行景逸CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)83.4系統(tǒng)實現(xiàn)的功能83.5前景展望9四、CAN總線應(yīng)用分析總結(jié)9參考文獻(xiàn)9CAN總線的應(yīng)用分析摘 要：CAN現(xiàn)場總線作為一種有效支持分布式控制和實時控制的技術(shù)，以其穩(wěn)定性好、可靠性高、抗干擾能力強、通訊速率高、維護(hù)成本低及其獨特的設(shè)計越來越受到人們的重視，并被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN總線可以滿足很多產(chǎn)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的要求。本文先介紹了CAN總線的發(fā)展、特點、結(jié)構(gòu)、工作原理，CAN總線技術(shù)在風(fēng)行景逸車身電子控制上的應(yīng)用為例來闡述CAN總線在工業(yè)、汽車行業(yè)的廣泛用途。關(guān)鍵字：CAN總線 現(xiàn)場總線 報文 風(fēng)行景逸 一、CAN 總線的簡介1.1 CAN總線發(fā)展 1986年德國電氣商Bosch（博世）公司為解決汽車眾多控制設(shè)備與儀器儀表之間的數(shù)據(jù)交換提出了一種串行通信協(xié)議即CAN（Control Area Network）總線。CAN總線采用雙絞線、同軸電纜或光纖作為傳輸介質(zhì)，通訊速率為1 Mb/s，當(dāng)信號傳輸距離達(dá)到10km時，CAN仍可提供高達(dá)50kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN總線具有低成本、高速度、高抗電磁干擾性、優(yōu)越的檢錯、糾錯能力等優(yōu)點。由于CAN總線卓越的性能，在20世紀(jì)90年代的歐洲得到了廣泛的重視，并成為研究的熱點。 CAN協(xié)議的最初版本為1.0版，1990年升級到1.2版，1991年又推出2.0版。CAN 2.0規(guī)范分為CAN 2.0A和CAN 2.0B。CAN 2.0A支持標(biāo)準(zhǔn)的11位標(biāo)識符。CAN 2.0B同時支持標(biāo)準(zhǔn)的11位標(biāo)識符和擴展的29位標(biāo)識符，CAN 2.0規(guī)范的目的是為了在任何兩個基于CAN-bus的儀器之間建立兼容性。CAN協(xié)議規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，與OSI模型中七層結(jié)構(gòu)的三層相對應(yīng)。1993年，CAN已成為國際標(biāo)準(zhǔn)IS011898（高速應(yīng)用，通信速率小于等干1Mbps）和IS011519（低速應(yīng)用，通信速率小于等于125 Kbps），現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。1.2 CAN總線的特點（1）CAN控制器工作于多主站方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)（取決于報文標(biāo)識符）采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差。（2）CAN協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，其優(yōu)點是可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，加入或減少設(shè)備都不影響系統(tǒng)的工作。同時可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。（3）CAN總線通過CAN控制器接口芯片的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這樣就保證不會出現(xiàn)類似在RS-485網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)有錯誤時會導(dǎo)致出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)而導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。（4）CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低了用戶系統(tǒng)開發(fā)的難度，縮短了開發(fā)周期，這些是僅僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的。（5）與其它現(xiàn)場總線比較而言，CAN總線通信最高速率可達(dá)1MBPS，傳輸速率為5KBPS時，采用雙絞線，傳輸距離可達(dá)10KM，并且數(shù)據(jù)傳輸可靠性高;CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。這些也是目前CAN總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。二、CAN總線的結(jié)構(gòu)和原理2.1CAN總線結(jié)構(gòu)2.1.1 CAN系統(tǒng)組成CAN總線用戶接口簡單，編程方便。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線式結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，并且采用無源抽頭連接，系統(tǒng)可靠性高。通過CAN總線連接各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，形成多主機控制器局域網(wǎng)（CAN）。信息的傳輸采用CAN通信協(xié)議，通過CAN控制器來完成。各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般為帶有微控制器的智能節(jié)點完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和基于CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點可以使用帶有在片CAN控制器的微控制器，或選用一般的微控制器加上獨立的CAN控制器來完成節(jié)點功能。傳輸介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜或光纖。如果需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還可以在控制器和傳輸介質(zhì)之間加接光電隔離，電源采用DC-DC變換器等措施。這樣可方便構(gòu)成實時分布式測控系統(tǒng)。2.1.2 CAN總線的物理接口采用CAN收發(fā)器PCA82C250作為CAN控制器和物理總線之間的接口，提供向總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。 一般在驅(qū)動芯片和CAN控制器之間加入光電耦合器,增加抗干擾能力。CAN總線的速度將由光電耦合器的速度決定。比如：用4N27光耦，因為它的響應(yīng)速度比較慢，CAN網(wǎng)絡(luò)的位速度只能達(dá)到幾十Kbit/s。如果采用6N137高速光電耦合器，CAN網(wǎng)絡(luò)速度可以達(dá)到和電阻網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動時的速度一樣。另外，物理層的設(shè)計要注意電纜的終端阻抗匹配，這直接影響了CAN總線能否正常工作和網(wǎng)絡(luò)性能，一般在CAN總線兩端并聯(lián)120的電阻。 2.2 CAN總線的工作原理CAN總線使用串行數(shù)據(jù)傳輸方式,可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運行,也可以使用光纜連接,而且在這種總線上總線協(xié)議支持多主控制器。CAN與I2C總線的許多細(xì)節(jié)很類似,但也有一些明顯的區(qū)別。當(dāng)CAN總線上的一個節(jié)點(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時,它以報文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點。對每個節(jié)點來說,無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的,都對其進(jìn)行接收。每組報文開頭的11位字符為標(biāo)識符,定義了報文的優(yōu)先級,這種報文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識符是唯一的,不可能有兩個站發(fā)送具有相同標(biāo)識符的報文。當(dāng)幾個站同時競爭總線讀取時,這種配置十分重要。 當(dāng)一個站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時,該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識符傳送給本站的CAN芯片,并處于準(zhǔn)備狀態(tài)；當(dāng)它收到總線分配時,轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出,這時網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的站對接收到的報文進(jìn)行檢測,判斷這些報文是否是發(fā)給自己的,以確定是否接收它。由于CAN總線是一種面向內(nèi)容的編址方案,因此很容易建立高水準(zhǔn)的控制系統(tǒng)并靈活地進(jìn)行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進(jìn)一些新站而無需在硬件或軟件上進(jìn)行修改。當(dāng)所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設(shè)備時,數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化,即總線上控制器需要測量數(shù)據(jù)時,可由網(wǎng)上獲得,而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。三、CAN總線技術(shù)在風(fēng)行景逸車身電子控制上的應(yīng)用分析由于CAN總線具有低網(wǎng)絡(luò)成本、高網(wǎng)絡(luò)安全性、通信實時性和可靠性等特點己廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車工業(yè)、安全防護(hù)等領(lǐng)域。下面以CAN總線技術(shù)在風(fēng)行景逸車身電子控制上的應(yīng)用分析為例來說明CAN的廣泛用途。3.1必要性分析3.1.1 電氣控制的現(xiàn)狀隨著汽車市場的壯大和汽車技術(shù)的發(fā)展，車主對車輛的舒適性、安全性及動力性的要求越來越高。為了滿足客戶的需求，車輛的電器功能越來越多，各項控制功能將逐步向自動化、智能化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的技術(shù)和控制方式已越來越難適應(yīng)。電器功能的多樣化和不斷增加，以及控制功能的自動化、智能化，將給現(xiàn)在的車輛電器系統(tǒng)架構(gòu)帶來以下四個主要問題：(1)線束系統(tǒng)越來越復(fù)雜：目前風(fēng)行景逸整車線束回路數(shù)達(dá)600多個，全車電線長達(dá)800 m，端子用量達(dá)上千個，插接件數(shù)量達(dá)到160余個，整車線束復(fù)雜程度已偏高。不斷增加的功能將會使電子器件增加，智能化系統(tǒng)將帶來大量的傳感器，各類器件之間的連接將大大增加線束系統(tǒng)的復(fù)雜程度，一方面線束的成本將會大幅提升，另一方面復(fù)雜的線束系統(tǒng)使得線柬布置難度加大，可能的干涉和磨損隱患增加，同時線束系統(tǒng)故障的幾率也會隨之提升。(2)電器系統(tǒng)故障發(fā)生率不斷增加：功能增加帶來的電器件數(shù)量增加，會帶來新的故障點；傳統(tǒng)的車身線路系統(tǒng)，所有的信號線都通過線柬硬線連接，電路回路及環(huán)境干擾影響發(fā)生率會增加，同時同一個信號供給不同的電器件所產(chǎn)生的干擾和可能的隱患將增加。(3)故障診斷和檢測難度增加：電器零部件的增加、線束的復(fù)雜化、故障點的增多不可避免會帶來故障診斷和檢測難度的增加。(4)信號傳輸瓶頸出現(xiàn)。電器功能自動化和智能化的發(fā)展，帶來大量的信號交換需求，某些信號對傳輸時間及電磁屏蔽要求較高，傳統(tǒng)線路無法完全解決這些問題。同時，18T車型的動力系統(tǒng)是CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而車身電器系統(tǒng)則是傳統(tǒng)架構(gòu)，造成雙方之間信號交換需要通過新增的網(wǎng)關(guān)控制器來實現(xiàn)。3.1.2實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)的便利性汽車總線技術(shù)在汽車車身方面的應(yīng)用大大提高了汽車的人性化和智能化程度，風(fēng)行景逸作為一個新推出的平臺，應(yīng)該順應(yīng)這種趨勢，開發(fā)屬于自己的網(wǎng)絡(luò)平臺，適應(yīng)我國汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢、技術(shù)水平和市場需求。至少它可以為我們提供以下方便。(1)簡化整車的電路系統(tǒng)，方便電氣布線；(2)性能安全可靠；(3)智能化控制：(4)很強的可擴展性；(5)簡化生產(chǎn)工藝，減少生產(chǎn)成本；(6)較低的維護(hù)、維修費用。3.2可行性分析3.2.1 CAN控制器接口芯片現(xiàn)狀分析CAN總線技術(shù)被提出后，1987年Inter和Philipa便先后推出了CAN控制芯片。之后，由于CAN具有眾多優(yōu)越的特性，以及應(yīng)用的廣泛性，包括Inter、Motorola、Siemens、Philips和Renesaa在內(nèi)的許多芯片生產(chǎn)廠家都推出了一系列的帶CAN控制器的微處理芯片、獨立的CAN控制器和CAN總線接口芯片。這些芯片供應(yīng)商均可以提供完整的微處理芯片和各類接口芯片及完整的軟、硬件，并提供相應(yīng)的技術(shù)支持。隨著CAN總線技術(shù)的成熟及應(yīng)用的推廣，CAN控制器芯片的種類已相當(dāng)豐富，同時價格也在迅速的下降，CAN控制器芯片在種類和價格方面已經(jīng)完全滿足在車輛上大量使用的條件。3.2.2 CAN總線技術(shù)在汽車車身控制上應(yīng)用現(xiàn)狀分析國際汽車廠商和零部件開發(fā)商大投入CAN總線技術(shù)的研究及應(yīng)用，CAN總線技術(shù)在汽車上的應(yīng)用也越來越廣泛。2003年，Maybach發(fā)布了帶有76個ECU的新車型(含CAN、LIN、MOST)；2004年大眾集團(tuán)發(fā)布了帶有35個ECU模塊的Golf汽車；2004年后，國外新發(fā)布的車型幾乎全部使用CAN總線技術(shù)；在國內(nèi)，一汽大眾、一汽轎車、上汽汽車、上海大眾、上海通用、長安福特、北汽奔馳等汽車公司都發(fā)布了帶有CAN控制器的車型。同時。國內(nèi)一些汽車零部件廠商也研發(fā)出了基于CAN總線技術(shù)的車身控制模塊。綜上所述，國內(nèi)CAN總線技術(shù)開發(fā)應(yīng)用環(huán)境已趨成熟；CAN芯片硬件數(shù)量豐富且價格適中，已適合在汽車上大量采用，CAN控制器開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。同時，風(fēng)行景逸作為柳汽新型平臺，在底盤方面已逐步導(dǎo)入了帶CAN功能的各類系統(tǒng)或總成，并已逐漸在實車中應(yīng)用。3.3風(fēng)行景逸車身電子控制CAN網(wǎng)絡(luò)方案3.3.1 CANBUS系統(tǒng)設(shè)計大綱CANBUS系統(tǒng)采用通訊協(xié)議：BOSCH CAN 20BCANBUS系統(tǒng)采用國際標(biāo)準(zhǔn)：ISODISI 1898CANBUS系統(tǒng)約束條件：(1)CAN-BUS系統(tǒng)傳輸速率：125kbs(2)CAN-BuS系統(tǒng)通訊格式：CAN擴展格式(3)CAN-BUS系統(tǒng)信息標(biāo)識符：29位(4)CANBUS系統(tǒng)多字節(jié)安排：低位在前、高位在后3.3.2風(fēng)行景逸CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 3.4系統(tǒng)實現(xiàn)的功能系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要有：(1)燈光和信號控制：同常規(guī)的燈光和信號控制。(2)車內(nèi)燈控制：自動打開或延遲熄滅車內(nèi)燈。(3)鑰匙圈燈光提示：左前車門打開后點火開關(guān)鑰匙孔點亮一段時間。(4)燈光提示：點火開關(guān)關(guān)閉后如果燈光開關(guān)打開，則蜂鳴器報警。(5)前雨刮和洗滌器控制器：同通用的雨刮器控制。(6)中央門鎖控制：使用遙控器或中控開關(guān)執(zhí)行開、閉鎖功能。(7)車輛防盜報警器：進(jìn)入防盜后如果車門或點火開關(guān)被打開，激活喇叭報警。(8)自動關(guān)窗：遙控上鎖后如有車門窗未升到位則執(zhí)行自動關(guān)窗功能