《CAN總線協(xié)議詳解》課件

CAN總線協(xié)議詳解byCAN總線協(xié)議簡(jiǎn)介控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN總線協(xié)議是一種用于汽車電子控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，由博世公司于1983年提出。多點(diǎn)廣播通信CAN總線使用多點(diǎn)廣播通信方式，允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)收發(fā)信息，無需中央控制器協(xié)調(diào)。實(shí)時(shí)性強(qiáng)CAN總線具有很高的實(shí)時(shí)性和可靠性，能夠滿足汽車電子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膰?yán)苛要求。CAN總線的特點(diǎn)高可靠性CAN總線采用差分信號(hào)傳輸，抗干擾能力強(qiáng)。支持錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正機(jī)制，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。多?jié)點(diǎn)通信CAN總線支持多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的廣播和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，提高系統(tǒng)效率。實(shí)時(shí)性強(qiáng)CAN總線采用優(yōu)先級(jí)機(jī)制，優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文可以優(yōu)先得到處理，確保實(shí)時(shí)性要求。CAN總線的幀結(jié)構(gòu)CAN幀結(jié)構(gòu)是CAN總線通信的基本單元。它由多個(gè)字段組成，每個(gè)字段都有特定的含義和功能。起始符：表示數(shù)據(jù)幀的開始仲裁域：用于標(biāo)識(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)控制域：包含數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)類型信息數(shù)據(jù)域：包含實(shí)際要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容CRC校驗(yàn)域：用于檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤ACK域：確認(rèn)數(shù)據(jù)是否已成功接收結(jié)束符：表示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束CAN總線幀類型數(shù)據(jù)幀用于傳輸實(shí)際數(shù)據(jù)，包含數(shù)據(jù)域，標(biāo)識(shí)符域和控制域。遠(yuǎn)程幀用于請(qǐng)求接收數(shù)據(jù)幀，標(biāo)識(shí)符域和控制域與數(shù)據(jù)幀相同，但沒有數(shù)據(jù)域。錯(cuò)誤幀用于標(biāo)識(shí)錯(cuò)誤，由節(jié)點(diǎn)發(fā)出，用來提醒網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)。超載幀用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)已滿，用來提醒發(fā)送節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN幀格式分析起始符表示幀的開始，為一個(gè)顯性位，為11位。仲裁域用于確定優(yōu)先級(jí)，長(zhǎng)度為11位?？刂朴蛴糜跇?biāo)識(shí)數(shù)據(jù)類型和長(zhǎng)度，長(zhǎng)度為6位。數(shù)據(jù)域用于存儲(chǔ)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，長(zhǎng)度為0-8字節(jié)。CRC校驗(yàn)域用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)域的完整性，長(zhǎng)度為15位。ACK域用于確認(rèn)接收方的接收狀態(tài)，長(zhǎng)度為1位。幀結(jié)束符表示幀的結(jié)束，為一個(gè)顯性位，為11位。CAN幀仲裁過程1仲裁開始當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，仲裁過程開始。節(jié)點(diǎn)會(huì)比較彼此的標(biāo)識(shí)符（ID）以確定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)具有最高的優(yōu)先級(jí)。2位比較仲裁過程從最高有效位(MSB)開始，逐位進(jìn)行比較。每個(gè)節(jié)點(diǎn)將自己的ID與其他節(jié)點(diǎn)的ID進(jìn)行比較。3優(yōu)先級(jí)判定如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的ID位相同，則繼續(xù)比較下一位。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的ID位不同時(shí)，ID值較小的節(jié)點(diǎn)擁有更高的優(yōu)先級(jí)并繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。4仲裁結(jié)束當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)贏得仲裁后，其他節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并將自己的總線狀態(tài)設(shè)置為接收模式，以便接收獲勝節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。CAN仲裁規(guī)則1優(yōu)先級(jí)CAN總線采用**位優(yōu)先級(jí)**，即ID值越小，優(yōu)先級(jí)越高。2仲裁過程當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過比較ID值，優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)獲勝，其數(shù)據(jù)被發(fā)送到總線上。3仲裁機(jī)制采用**非破壞性仲裁**，所有節(jié)點(diǎn)都參與仲裁過程，但只有獲勝節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN錯(cuò)誤處理機(jī)制錯(cuò)誤檢測(cè)CAN總線使用CRC校驗(yàn)碼來檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤。CRC校驗(yàn)碼是一種常用的數(shù)據(jù)校驗(yàn)技術(shù)，可以有效地檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤。錯(cuò)誤處理當(dāng)檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，CAN總線會(huì)采取相應(yīng)的錯(cuò)誤處理措施。錯(cuò)誤處理機(jī)制包括：錯(cuò)誤幀、錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器、錯(cuò)誤標(biāo)志位等。錯(cuò)誤恢復(fù)如果錯(cuò)誤發(fā)生在數(shù)據(jù)幀的接收過程中，則接收節(jié)點(diǎn)會(huì)丟棄該數(shù)據(jù)幀。如果錯(cuò)誤發(fā)生在數(shù)據(jù)幀的發(fā)送過程中，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)重發(fā)數(shù)據(jù)幀。CAN狀態(tài)機(jī)分析CAN控制器內(nèi)部運(yùn)行著復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)，控制著通信過程的各個(gè)階段。狀態(tài)機(jī)通過接收和發(fā)送信號(hào)、處理錯(cuò)誤等操作，實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。CAN總線信號(hào)傳輸CAN總線采用非對(duì)稱的半雙工通信方式，即同一時(shí)間內(nèi)，只有一臺(tái)設(shè)備可以發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸過程包括：發(fā)送節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)封裝成CAN幀，通過CAN總線發(fā)送到接收節(jié)點(diǎn)。CAN總線收發(fā)器信號(hào)轉(zhuǎn)換將CAN總線上的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，反之亦然。保護(hù)功能保護(hù)CAN總線免受外部干擾，例如靜電放電和瞬態(tài)電壓。傳輸速率支持不同的傳輸速率，例如1Mbps、500kbps等。CAN總線電平分析電平狀態(tài)高電平邏輯1低電平邏輯0CAN總線物理層物理層定義CAN總線的物理層定義了總線上的信號(hào)傳輸方式、電氣特性和物理連接方式。它負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并在總線上進(jìn)行傳輸。信號(hào)傳輸方式CAN總線采用差分信號(hào)傳輸方式，即數(shù)據(jù)信號(hào)通過兩條信號(hào)線傳輸，一條為正極信號(hào)線，另一條為負(fù)極信號(hào)線。信號(hào)通過兩條信號(hào)線之間的電位差來表示。電氣特性CAN總線定義了信號(hào)的電壓范圍、上升和下降時(shí)間、最大傳輸速率等電氣特性，確保信號(hào)能夠可靠地傳輸。CAN收發(fā)器中的終端電阻1阻抗匹配終端電阻用于匹配CAN總線的特性阻抗，防止信號(hào)反射。2信號(hào)衰減終端電阻可以吸收信號(hào)傳輸過程中的能量，減少信號(hào)衰減。3信號(hào)完整性終端電阻可以改善信號(hào)的完整性，提高通信可靠性。CAN通信過程分析1數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)打包成CAN幀，發(fā)送到總線上。2仲裁過程多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過仲裁過程確定優(yōu)先級(jí)。3數(shù)據(jù)接收目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)幀ID進(jìn)行識(shí)別和處理。CAN通信過程是一個(gè)復(fù)雜的流程，涉及數(shù)據(jù)發(fā)送、仲裁過程、數(shù)據(jù)接收等多個(gè)環(huán)節(jié)。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)需要將數(shù)據(jù)打包成CAN幀，并將幀發(fā)送到總線上。如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，則需要通過仲裁過程來確定數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)。最后，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)幀ID識(shí)別和處理數(shù)據(jù)。整個(gè)過程需要嚴(yán)格遵守CAN協(xié)議規(guī)范。CAN協(xié)議的時(shí)間參數(shù)11位時(shí)間8重傳次數(shù)3數(shù)據(jù)幀類型2錯(cuò)誤幀類型CAN協(xié)議中定義了一些時(shí)間參數(shù)，用于控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序。這些參數(shù)對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性至關(guān)重要。CAN通信過程中的時(shí)間參數(shù)CAN總線負(fù)載分析節(jié)點(diǎn)數(shù)量CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量會(huì)影響總線的負(fù)載。節(jié)點(diǎn)越多，總線的負(fù)載就越大。數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率越高，總線的負(fù)載就越大。因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸速率越高，總線上的數(shù)據(jù)量就越大。報(bào)文長(zhǎng)度報(bào)文長(zhǎng)度越長(zhǎng)，總線的負(fù)載就越大。因?yàn)閳?bào)文長(zhǎng)度越長(zhǎng)，總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就越大。CAN系統(tǒng)拓?fù)浞治鲂切屯負(fù)渌泄?jié)點(diǎn)都連接到一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)單易于管理，但中心節(jié)點(diǎn)故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。總線型拓?fù)渌泄?jié)點(diǎn)都連接到一條公共總線上，成本低，但節(jié)點(diǎn)數(shù)量受限，且發(fā)生故障時(shí)不易定位。樹型拓?fù)涔?jié)點(diǎn)通過分層結(jié)構(gòu)連接到主節(jié)點(diǎn)，可以擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)數(shù)量，但需要較復(fù)雜的管理。CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)數(shù)量確定網(wǎng)絡(luò)中連接的設(shè)備數(shù)量，并考慮未來擴(kuò)展的可能性。數(shù)據(jù)傳輸速率根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的傳輸速率，以滿足實(shí)時(shí)性和可靠性要求。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇適合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如總線型、星型或樹型，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。CAN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備選型CAN收發(fā)器選擇合適的CAN收發(fā)器芯片，確保信號(hào)傳輸穩(wěn)定可靠。CAN控制器選擇性能和功能符合需求的CAN控制器，并考慮其與其他模塊的兼容性。CAN接口板根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，選擇合適的CAN接口板，例如帶有CAN收發(fā)器芯片的接口板。CAN軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)1驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)與CAN硬件進(jìn)行交互2協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議的解析和封裝3應(yīng)用層負(fù)責(zé)CAN報(bào)文的發(fā)送和接收CAN軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)通常采用分層架構(gòu)，根據(jù)功能和抽象層次進(jìn)行劃分。驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)與CAN硬件進(jìn)行交互，協(xié)議棧負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議的解析和封裝，應(yīng)用層負(fù)責(zé)CAN報(bào)文的發(fā)送和接收，并與上層應(yīng)用程序進(jìn)行交互。CAN軟件協(xié)議棧物理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在物理介質(zhì)上的傳輸，包括信號(hào)的發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的幀格式化、幀的發(fā)送和接收、錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)路由和尋址，用于確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?。?yīng)用層負(fù)責(zé)與用戶應(yīng)用程序交互，提供數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的接口。CAN報(bào)文調(diào)度算法優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)報(bào)文的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，高優(yōu)先級(jí)報(bào)文優(yōu)先發(fā)送。時(shí)間片輪詢每個(gè)報(bào)文分配一個(gè)固定時(shí)間片，輪流發(fā)送報(bào)文，保證公平性。循環(huán)調(diào)度按照預(yù)先定義的順序循環(huán)發(fā)送報(bào)文，適用于周期性任務(wù)。CAN網(wǎng)絡(luò)的故障診斷錯(cuò)誤幀檢測(cè)識(shí)別并分析CAN總線上的錯(cuò)誤幀，確定錯(cuò)誤類型和發(fā)生位置。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)控監(jiān)測(cè)CAN節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)，如節(jié)點(diǎn)是否處于正常工作狀態(tài)、是否處于休眠狀態(tài)等。數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證驗(yàn)證接收到的CAN報(bào)文數(shù)據(jù)是否完整，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｍㄐ判阅芊治龇治鯟AN網(wǎng)絡(luò)的通信性能，如數(shù)據(jù)傳輸速率、延遲、丟包率等。CAN總線網(wǎng)絡(luò)診斷工具CANalyzer用于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的分析和調(diào)試。CANoe支持多種協(xié)議和功能，包括CAN、LIN、FlexRay等。VectorCANoe提供完整的開發(fā)和測(cè)試環(huán)境，包括仿真、測(cè)試和分析功能。CAN協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)版本CAN2.0A:基于經(jīng)典CAN協(xié)議，定義了兩種幀格式：標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀。CAN2.0B:擴(kuò)展了CAN2.0A的協(xié)議，增加了新的時(shí)間觸發(fā)通信機(jī)制。CANFD:高速CAN，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，增加了數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度。CAN協(xié)議的應(yīng)用領(lǐng)域汽車電子汽車電子是CAN總線協(xié)議應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制、變速箱控制、安全系統(tǒng)、車身電子等。工業(yè)自動(dòng)化CAN總線在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，例如機(jī)器人控制、PLC控制、傳感器網(wǎng)絡(luò)等。醫(yī)療設(shè)備CAN總線在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，例如醫(yī)療儀器控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。CAN總線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)更高速度隨著汽車電子系統(tǒng)復(fù)雜度的不斷提升，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度的要求也越來越高。未來CAN總線技術(shù)將朝著更高速度的方向發(fā)展，以滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。更強(qiáng)安全性隨著汽車安全性的重要性日益凸顯，未來CAN總線技術(shù)將更加注重安全性，例如引入更強(qiáng)大的加密算法和安全機(jī)制，以防止網(wǎng)絡(luò)攻擊和數(shù)據(jù)泄露。更高可靠性為了保證汽車電子系統(tǒng)的高可靠性，未來CAN總線技術(shù)將不斷提升可靠性，例如引入更先進(jìn)的容錯(cuò)機(jī)制和冗余備份機(jī)制，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行?？偨Y(jié)與