控制器局域網(wǎng)CAN總線技術(shù)規(guī)范PPT課件.ppt

第四章控制器局域網(wǎng)CAN技術(shù)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(shù)規(guī)范 1 5 1 CAN總線簡介 控制器局域網(wǎng)絡(luò) ControllerAreaNetwork簡稱CAN 主要用于各種過程 設(shè)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(shè)計的 但由于CAN總線本身的突出特點 其應(yīng)用領(lǐng)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(lǐng)域發(fā)展 由于其高性能 高可靠性及獨特的設(shè)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(shù) CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn) ISO11898 并已成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術(shù)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(shè)備有同等的機會取得總線的控制權(quán)來向外發(fā)送信息 如果在同一時刻有兩個以上的設(shè)備欲發(fā)送信息 就會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突 CAN總線能夠?qū)崟r地檢測這些沖突情況并作出相應(yīng)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(fù)雜的錯誤檢測和恢復(fù)能力的高可靠性強有力的網(wǎng)絡(luò) 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(yīng)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(dāng)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(dá)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(biāo)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(quán)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(quán)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(biāo)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(yīng)答確認(rèn) 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(shè)計你的網(wǎng)絡(luò)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(luò)中 它就開始接收信息 判別信息標(biāo)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(yuǎn)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(guān)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(shè)備是否工作正常 系統(tǒng)必須定期地要求此類設(shè)備發(fā)送相關(guān)的信息以便檢查整個系統(tǒng)的工作情況 設(shè)計人員就可以利用這一 遠(yuǎn)端發(fā)送請求 特性來減少網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)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(yuǎn)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(dāng)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(fù)雜的錯誤檢測和恢復(fù)能力的高可靠性強有力的網(wǎng)絡(luò) 1 高速性 CAN總線一開始是為汽車工業(yè)而設(shè)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(guān)重要的 在發(fā)布了2 0B版的CAN總線技術(shù)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(dá)1M位 秒 在這種速率下 即便是對時間要求非常關(guān)鍵的參數(shù)也可以通過CAN總線傳輸而不必?fù)?dān)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(yīng)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(yán)重性 通過這些計數(shù)器就可以確認(rèn)這些節(jié)點是否應(yīng)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(quán) 或者到關(guān)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(guān)的應(yīng)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(guān)斷 不會永久占用總線 這一點對關(guān)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(shù)特點 由于其采用了許多新技術(shù)及獨特的設(shè)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(luò)上任意以節(jié)點均可在任意時刻主動的地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息 而不分主從 2 CAN網(wǎng)絡(luò)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(shù) 當(dāng)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(shù)特點 5 CAN的直線通信距離最長可達(dá)10km 速率5Kbps以下 通信速率最高可達(dá)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(qū)動電路 目前可達(dá)128個 報文標(biāo)識符可達(dá)2032種 CAN2 0A 而擴展標(biāo)準(zhǔn) CAN2 0B 的報文標(biāo)識符幾乎不受限制 7 采用短幀結(jié)構(gòu) 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(shù)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(zhì)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(yán)重的情況下具有自動關(guān)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(shù)規(guī)范 隨著CAN在各種領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣 對其通信格式的標(biāo)準(zhǔn)化提出了要求 為此 1991年9月PhilipsSemiconductors制定并發(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 CAN技術(shù)規(guī)范2 0A給出了報文標(biāo)準(zhǔn)格式 CAN技術(shù)規(guī)范2 0B給出標(biāo)準(zhǔn)和擴展的兩種報文格式 這里主要介紹CAN技術(shù)規(guī)范2 0B 16 5 4CAN總線的技術(shù)規(guī)范 5 4 1CAN的分層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)規(guī)范 5 4 1CAN的分層結(jié)構(gòu)為了使設(shè)計透明和執(zhí)行靈活 遵循ISO OSI標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(wù)和功能被描述為 目標(biāo)層 和 傳輸層 18 5 4CAN總線的技術(shù)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(jié)構(gòu) 執(zhí)行仲裁 錯誤檢測 出錯標(biāo)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(guān)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(fù)管理 19 5 4CAN總線的技術(shù)規(guī)范 圖1 CAN的分層結(jié)構(gòu)和功能 20 5 4CAN總線的技術(shù)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(jié)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(quán)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(jié)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(shù)規(guī)范 當(dāng)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(yuǎn)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(gòu)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(shù)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(shù)規(guī)范 圖2 總線上的位電平表示 24 5 4CAN總線的技術(shù)規(guī)范 5 4 3CAN總線報文的幀結(jié)構(gòu)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(yuǎn)程幀通過總線單元發(fā)送 以請求發(fā)送具有相同標(biāo)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(dāng)前的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀的附加延遲 數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀借助幀間空間和當(dāng)前幀分開 25 5 4CAN總線的技術(shù)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(yīng)答場和幀結(jié)束 數(shù)據(jù)長度可為0 CAN技術(shù)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(shù)規(guī)范 在CAN技術(shù)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(biāo)識符的長度 具有11位標(biāo)識符的幀稱為標(biāo)準(zhǔn)幀 而包括29位標(biāo)識符的稱為擴展幀 標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖4 圖5所示 圖4 標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀 27 5 4CAN總線的技術(shù)規(guī)范 圖4 擴展格式的數(shù)據(jù)幀 SRR 替代遠(yuǎn)程請求IDE 標(biāo)識位擴展位RTR 遠(yuǎn)程發(fā)送請求位 28 5 4CAN總線的技術(shù)規(guī)范 CAN技術(shù)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(biāo)識符位基準(zhǔn) 屏蔽寄存器可用于選擇一組標(biāo)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(biāo)識符 也可以僅是其中一部分 29 5 4CAN總線的技術(shù)規(guī)范 1 幀起始 SOF 標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始 它僅由一個顯性位構(gòu)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(shù)規(guī)范 圖6 仲裁場組成 2 仲裁場由標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位 RTR 組成 如圖6所示 31 5 4CAN總線的技術(shù)規(guī)范 對于CAN技術(shù)規(guī)范2 0A 標(biāo)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(yuǎn)程幀中必須為隱性 CAN技術(shù)規(guī)范2 0A數(shù)據(jù)幀 32 5 4CAN總線的技術(shù)規(guī)范 對于CAN技術(shù)規(guī)范2 0B 標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式的仲裁場不同 在標(biāo)準(zhǔn)格式中 11位標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位RTR組成 標(biāo)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(yuǎn)程幀中必須為隱性 為區(qū)別標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式 將CAN技術(shù)規(guī)范2 0A中的r1改記為IDE位 CAN技術(shù)規(guī)范2 0B的標(biāo)準(zhǔn)格式 33 5 4CAN總線的技術(shù)規(guī)范 對于CAN技術(shù)規(guī)范2 0B 在擴展格式中 仲裁場 29位標(biāo)識符ID 28 ID 0 替代遠(yuǎn)程請求SRR位 隱性位 標(biāo)識位擴展位IDE 隱性位 遠(yuǎn)程發(fā)送請求位RTR 34 5 4CAN總線的技術(shù)規(guī)范 SRR的全稱是 替代遠(yuǎn)程請求位 SubstituteRemoteRequestBIT SRR是一隱性位 它在擴展格式的標(biāo)準(zhǔn)幀RTR位上被發(fā)送 并代替標(biāo)準(zhǔn)幀的RTR位 因此 如果擴展幀的基本ID和標(biāo)準(zhǔn)幀的識別符相同 標(biāo)準(zhǔn)幀與擴展幀的沖突是通過標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)格式 IDE位屬于控制場 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀 36 5 4CAN總線的技術(shù)規(guī)范 CAN2 0B的擴展幀和CAN2 0A和CAN2 0B的標(biāo)準(zhǔn)幀一樣 在數(shù)據(jù)幀中RTR位必須為顯性 而在遠(yuǎn)程幀中必須為隱性 37 5 4CAN總線的技術(shù)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(rèn)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