《CAN協(xié)議規(guī)范》課件

《CAN協(xié)議規(guī)范》本課件旨在講解CAN協(xié)議的規(guī)范，介紹其工作原理、應(yīng)用場景和應(yīng)用案例。CAN協(xié)議的發(fā)展歷程11983年RobertBosch公司首次提出CAN協(xié)議。21986年第一個CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。31991年ISO11898標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，為CAN協(xié)議的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。41993年CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，提高了CAN協(xié)議的性能和可靠性。52000年CANopen協(xié)議成為主要的應(yīng)用層協(xié)議。62010年CANFD標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，進(jìn)一步提高了CAN協(xié)議的傳輸速度和數(shù)據(jù)容量。CAN協(xié)議的特點實時性CAN協(xié)議具有高實時性，支持快速數(shù)據(jù)傳輸，滿足實時應(yīng)用場景的需求?？煽啃訡AN協(xié)議具備強(qiáng)大的錯誤檢測和糾正機(jī)制，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。靈活性CAN協(xié)議易于擴(kuò)展，支持不同類型的節(jié)點和應(yīng)用場景。CAN協(xié)議的基本概念控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)CAN是一種串行通信協(xié)議，用于建立用于實時應(yīng)用的分布式控制系統(tǒng)。它是一種可靠的、高效的通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。通信架構(gòu)CAN網(wǎng)絡(luò)包含多個節(jié)點，每個節(jié)點都有一個唯一的地址，并通過一個共享的總線進(jìn)行通信。節(jié)點之間可以通過發(fā)送和接收消息進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)幀CAN數(shù)據(jù)幀包含了發(fā)送節(jié)點的地址、接收節(jié)點的地址、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)內(nèi)容等信息。CAN總線物理層CAN總線物理層定義了總線信號的電氣特性、物理連接方式、以及總線上的信號傳輸協(xié)議。CAN總線采用差分信號傳輸，即通過兩根線上的電壓差來表示信號，降低了對環(huán)境噪聲的敏感度，提高了抗干擾能力。CAN總線使用高阻抗連接器，支持熱插拔，方便連接和維護(hù)。物理層還定義了總線上數(shù)據(jù)傳輸速率，例如標(biāo)準(zhǔn)CAN為1Mbps，高速CAN為10Mbps。CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)管理節(jié)點之間的通信，提供數(shù)據(jù)幀的傳輸和接收，以及錯誤檢測和處理功能。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范定義了節(jié)點如何訪問總線，以及如何對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行格式化、編碼、解碼和校驗。它還提供了錯誤檢測和糾正機(jī)制，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。CAN幀格式幀起始符標(biāo)識幀的開始，通常為11位“1”仲裁域用于仲裁多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，標(biāo)識消息的優(yōu)先級數(shù)據(jù)域存放實際要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，長度可變，最大8字節(jié)CRC校驗碼用于檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤，保證數(shù)據(jù)完整性CAN仲裁與優(yōu)先級優(yōu)先級CAN總線使用**優(yōu)先級**機(jī)制來解決多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時的沖突問題。標(biāo)識符每個CAN幀都包含一個**標(biāo)識符**，標(biāo)識符的值越小，優(yōu)先級越高。仲裁當(dāng)多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點會比較其標(biāo)識符，優(yōu)先級高的節(jié)點將獲得發(fā)送權(quán)。CAN數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制1幀格式CAN幀格式規(guī)范了數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)，包括幀類型、數(shù)據(jù)長度和校驗位。2仲裁CAN節(jié)點通過仲裁機(jī)制確定數(shù)據(jù)發(fā)送的優(yōu)先級，高優(yōu)先級節(jié)點優(yōu)先發(fā)送數(shù)據(jù)。3錯誤處理CAN網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)置錯誤檢測機(jī)制，可以識別并處理數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤。CAN錯誤處理機(jī)制1錯誤幀CAN總線上的錯誤由錯誤幀標(biāo)識。錯誤幀包含錯誤標(biāo)志位，用于識別錯誤類型。2錯誤計數(shù)每個節(jié)點都維護(hù)一個錯誤計數(shù)器，用于記錄接收到的錯誤幀數(shù)量。當(dāng)錯誤計數(shù)達(dá)到一定閾值時，節(jié)點進(jìn)入錯誤被動模式。3錯誤主動模式錯誤主動模式是節(jié)點主動發(fā)送錯誤幀，以通知其他節(jié)點存在錯誤，并嘗試重新發(fā)送數(shù)據(jù)。4錯誤被動模式錯誤被動模式是節(jié)點停止發(fā)送數(shù)據(jù)，并只接收數(shù)據(jù)，以減少網(wǎng)絡(luò)上的錯誤傳播。CAN節(jié)點狀態(tài)正常狀態(tài)節(jié)點正常工作，可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀。錯誤狀態(tài)節(jié)點檢測到錯誤，進(jìn)入錯誤狀態(tài)，停止發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并進(jìn)行錯誤處理。休眠狀態(tài)節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài)，停止所有活動，等待喚醒信號。初始化狀態(tài)節(jié)點正在進(jìn)行初始化操作，尚未準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)CAN網(wǎng)絡(luò)通常采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有節(jié)點共享一條總線，并通過總線進(jìn)行通信。常見的CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：總線型：最簡單的結(jié)構(gòu)，所有節(jié)點都連接到一條公共總線上。星型：通過一個中心節(jié)點連接多個節(jié)點，中心節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。樹型：通過分層結(jié)構(gòu)連接多個節(jié)點，每個節(jié)點可以連接多個子節(jié)點。CAN總線負(fù)載分析總負(fù)載最大負(fù)載CAN總線負(fù)載分析很重要，可以確定網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性。CAN總線延遲分析延遲因素說明傳輸延遲數(shù)據(jù)在總線上傳播所需時間，受總線長度和傳輸速率影響。仲裁延遲節(jié)點競爭總線使用權(quán)時，仲裁過程導(dǎo)致的延遲。處理延遲節(jié)點接收數(shù)據(jù)后，處理數(shù)據(jù)所需時間，受節(jié)點硬件和軟件性能影響。CAN總線帶寬計算1M最高速率CAN總線理論最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1Mbit/s。20數(shù)據(jù)幀實際帶寬受數(shù)據(jù)幀長度、協(xié)議開銷等因素影響，實際帶寬通常低于理論帶寬，約為理論帶寬的20%。25網(wǎng)絡(luò)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越高，帶寬利用率越低，實際帶寬會進(jìn)一步降低。CAN總線故障診斷1錯誤幀檢測CAN總線通過接收錯誤幀來檢測故障，例如錯誤幀、超載幀或過載幀。2節(jié)點狀態(tài)監(jiān)控監(jiān)測節(jié)點的發(fā)送和接收狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)節(jié)點故障，例如節(jié)點失聯(lián)或發(fā)送錯誤信息。3總線負(fù)載分析監(jiān)控總線上的數(shù)據(jù)流量，判斷總線是否過載或過輕，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和資源配置。CAN總線電磁兼容性抗干擾能力CAN總線在汽車等惡劣電磁環(huán)境中工作，需要具備較強(qiáng)的抗干擾能力。抑制干擾通過屏蔽、濾波等措施，抑制外部電磁干擾對CAN總線的影響。符合標(biāo)準(zhǔn)遵循相關(guān)的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，確保CAN總線符合規(guī)范要求。CAN總線軟硬件設(shè)計硬件設(shè)計CAN總線控制器(CANController)是硬件設(shè)計的核心，負(fù)責(zé)發(fā)送和接收CAN數(shù)據(jù)幀。此外，硬件設(shè)計還包括CAN收發(fā)器(CANTransceiver)、連接器、信號線等，用于連接CAN總線和節(jié)點設(shè)備。軟件設(shè)計軟件設(shè)計主要包括CAN協(xié)議棧實現(xiàn)、驅(qū)動程序、應(yīng)用程序等。CAN協(xié)議棧負(fù)責(zé)處理CAN數(shù)據(jù)幀的發(fā)送、接收、解析和錯誤處理等功能。CAN應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范CAN應(yīng)用層協(xié)議負(fù)責(zé)定義數(shù)據(jù)格式、消息類型和應(yīng)用程序接口。應(yīng)用層協(xié)議允許不同設(shè)備之間進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。應(yīng)用層協(xié)議確保設(shè)備之間的數(shù)據(jù)一致性和互操作性。CANOpen協(xié)議簡介CANOpen協(xié)議CANOpen是一種基于CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，它為自動化應(yīng)用提供了一個標(biāo)準(zhǔn)化通信框架。工業(yè)自動化CANOpen廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，包括機(jī)器人、機(jī)床和工廠自動化系統(tǒng)。CANOpen網(wǎng)絡(luò)管理1設(shè)備發(fā)現(xiàn)掃描網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點2配置管理設(shè)置節(jié)點參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?狀態(tài)監(jiān)控實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和節(jié)點運(yùn)行情況4故障診斷識別和解決網(wǎng)絡(luò)故障CANOpen對象字典對象字典的結(jié)構(gòu)對象字典是一個包含所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息和配置數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫，采用樹形結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)。對象的訪問通過CANOpen協(xié)議的訪問服務(wù)，應(yīng)用程序可以讀寫對象字典中的數(shù)據(jù)。對象字典的作用對象字典是CANOpen網(wǎng)絡(luò)管理的核心，提供設(shè)備的配置、狀態(tài)和參數(shù)信息。CANOpen服務(wù)及對象1服務(wù)CANOpen定義了一系列標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，用于數(shù)據(jù)交換和網(wǎng)絡(luò)管理。2對象對象字典包含設(shè)備的所有配置信息，包括數(shù)據(jù)類型、訪問權(quán)限和默認(rèn)值。3服務(wù)及對象映射每個服務(wù)對應(yīng)特定對象字典條目，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫和控制功能。CANOpen應(yīng)用實例CANOpen應(yīng)用實例包括電梯控制系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)、機(jī)床控制系統(tǒng)等。例如，在電梯控制系統(tǒng)中，CANOpen協(xié)議用于電梯控制系統(tǒng)中各個組件的通信，包括電梯控制器、電機(jī)驅(qū)動器、門控系統(tǒng)等。電梯控制器通過CANOpen協(xié)議發(fā)送命令給電機(jī)驅(qū)動器，控制電梯的運(yùn)行，同時接收電機(jī)驅(qū)動器反饋的運(yùn)行狀態(tài)信息。DeviceNet協(xié)議簡介基于CAN總線DeviceNet是建立在CAN總線基礎(chǔ)上的實時工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸支持實時數(shù)據(jù)交換，用于控制和監(jiān)測各種工業(yè)設(shè)備。應(yīng)用范圍廣泛應(yīng)用于自動化、機(jī)器人、包裝、物流等領(lǐng)域。J1939協(xié)議簡介應(yīng)用領(lǐng)域主要應(yīng)用于商用車領(lǐng)域，用于發(fā)動機(jī)、變速箱、制動系統(tǒng)等部件的控制和數(shù)據(jù)通信。協(xié)議特點基于CAN總線協(xié)議，支持多節(jié)點通信，具有較強(qiáng)的可靠性和擴(kuò)展性。協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)由美國汽車工程師協(xié)會（SAE）制定，并得到國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）認(rèn)可。ISOBUS協(xié)議簡介農(nóng)業(yè)機(jī)械通信標(biāo)準(zhǔn)ISOBUS協(xié)議是專門為農(nóng)業(yè)機(jī)械開發(fā)的通信標(biāo)準(zhǔn)。它允許不同制造商的設(shè)備相互通信，從而實現(xiàn)自動化操作，并簡化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程?；贑AN總線ISOBUS協(xié)議使用CAN總線作為其底層通信協(xié)議。它定義了特定消息和數(shù)據(jù)格式，以確保不同設(shè)備之間的互操作性。功能豐富ISOBUS協(xié)議支持各種功能，包括控制、監(jiān)測和數(shù)據(jù)交換。它允許機(jī)器之間交換信息，例如速度、位置和工作狀態(tài)。CAN在汽車電子中的應(yīng)用發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)CAN用于控制發(fā)動機(jī)的各種功能，例如點火、燃油噴射和排放控制。車身電子系統(tǒng)CAN用于控制車身電子系統(tǒng)，例如車門、窗戶、座椅和照明。安全系統(tǒng)CAN用于控制安全系統(tǒng)，例如防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)(ESC)和安全氣囊。CAN在工業(yè)自動化中的應(yīng)用1控制系統(tǒng)CAN總線被廣泛用于工業(yè)自動化系統(tǒng)中，例如機(jī)器人控制、PLC控制、運(yùn)動控制等。2數(shù)據(jù)采集CAN總線可以用于收集來自傳感器、執(zhí)行器和其他設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，例如溫度、壓力、位置等。3設(shè)備通信CAN總線可用于連接不同設(shè)備，例如PLC、傳感器、執(zhí)行器、人機(jī)界面等，實現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。CAN在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用醫(yī)療設(shè)備的控制和監(jiān)測系統(tǒng)醫(yī)療影像