现场总线与工业以太网_CAN 总 线

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1、第4章CAN总线 4 1概述4 2CAN的的物理层4 3CAN协议规范4 4典型CAN总线器件及应用 第4章CAN总线 CAN ControllerAreaNetwork 即控制器局域网 可以归属于工业现场总线的范畴 通常称为CANbus 即CAN总线 是目前国际上应用最广泛的开放式现场总线之一 与一般的通信总线相比 CAN总线的数据通信具有突出的可靠性 实时性和灵活性 它在汽车领域上的应用最为广泛 世界上一些著名的汽车制造厂商 如BENZ 奔驰 BMW 宝马 volkswagen 大众 等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信 同时 由于CAN总线的特点 其应

2、用范围目前已不仅局限于汽车行业 已经在自动控制 航空航天 航海 过程工业 机械工业 纺织机械 农用机械 机器人 数控机床 医疗器械及传感器等领域中得到了广泛应用 4 1概述 4 1 1CAN工作原理 特点4 1 2发展背景及应用情况4 1 3一个典型的工程实例 4 1概述 CAN最初出现在汽车工业中 80年代由德国Bosch公司最先提出 最初动机是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯 减少不断增加的信号线 1993年CAN成为国际标准ISO11898 高速应用 和ISO11519 低速应用 由于其良好的性能及独特的设计 CAN总线越来越受到人们的重视 随着应用领域的增多 CAN的规范

3、从CAN1 2规范 标准格式 发展为兼容CAN1 2规范的CAN2 0规范 CAN2 0A为标准格式 CAN2 0B为扩展格式 目前应用的CAN器件大多符合CAN2 0规范 4 1 1CAN的工作原理 特点 1 CAN的工作原理 当CAN总线上的一个节点 站 发送数据时 它以报文形式广播给网络中所有节点 对每个节点来说 无论数据是否是发给自己的 都对其进行接收 每组报文开头的11位字符为标识符 CAN2 0A 定义了报文的优先级 这种报文格式称为面向内容的编址方案 在同一系统中标识符是唯一的 不可能有两个节点发送具有相同标识符的报文 当一个节点要向其它节点发送数据时 该节点的CPU将要发送的数

4、据和自己的标识符传送给本节点的CAN芯片 并处于准备状态 当它收到总线分配时 转为发送报文状态 CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出 这时网上的其它节点处于接收状态 每个处于接收状态的节点对接收到的报文进行检测 判断这些报文是否是发给自己的 以确定是否接收它 由于CAN总线是一种面向内容的编址方案 因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置 我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新节点而无需在硬件或软件上进行修改 当所提供的新节点是纯数据接收设备时 数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址 它允许分布过程同步化 即总线上控制器需要测量数据时 可由网上获得 而无须每个控制器都有

5、自己独立的传感器 2 CAN总线特点 CAN总线是一种串行数据通信协议 通信介质可以是双绞线 同轴电缆或光导纤维 最大通讯距离可达10km 最大通信速率可达1Mbps CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能 可完成对通信数据的成帧处理 包括位填充 数据块编码 循环冗余检验 优先级判别等项工作 CAN总线特点如下 1 可以多主方式工作 网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息 而不分主从 通信方式灵活 利用这一特点也可方便地构成多机备份系统 2 网络上的节点 信息 可分成不同的优先级可以满足不同的实时要求 3 CAN总线采用非破坏性位仲裁总线结构机

6、制 当两个节点同时向网络上传送信息时 优先级低的节点主动停止数据发送 而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据 大大节省了总线冲突裁决时间 最重要的是在网络负载很重的情况下 也不会出现网络瘫痪的情况 以太网则可能 4 可以点对点 一点对多点 成组 及全局广播几种传送方式接收数据 5 直接通信距离最远可达10km 速率5Kbps以下 6 通信速率最高可达1MB s 此时距离最长40m 7 节点数实际可达110个 8 采用短帧结构 每一帧的有效字节数为8个 这样传输时间短 受干扰的概率低 且具有极好的检错效果 可满足通常工业领域中控制命令 工作状态及测试数据的一般要求 9 每帧信息都有CRC校验及

7、其他检错措施 保证了数据出错率极低 10 通信介质可采用双绞线 同轴电缆和光导纤维 一般采用廉价的双绞线即可 无特殊要求 11 节点在错误严重的情况下 具有自动关闭总线的功能 切断它与总线的联系 以使总线上的其他操作不受影响 CAN总线协议已被国际标准化组织认证 技术比较成熟 控制的芯片已经商品化 性价比高 特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯 CAN控制器工作于多主方式 网络中的各节点都可根据总线访问优先权 取决于报文标识符 采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据 且CAN协议废除了节点地址编码 而代之以对通信数据进行编码 这可使不同的节点同时接收到相同的数据 这些特点使得CAN总

8、线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强 并且容易构成冗余结构 提高系统的可靠性和系统的灵活性 而利用RS 485只能构成主从式结构系统 通信方式也只能以主节点轮询的方式进行 系统的实时性 可靠性较差 CAN总线通过CAN控制器接口芯片两个输出端的电平状态 可以保证不会出现象在RS 485网络中 当系统有错误 出现多节点同时向总线发送数据时 导致总线呈现短路 从而损坏某些节点的现象 而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能 以使总线上其他节点的操作不受影响 从而保证不会出现象在网络中 因个别节点出现问题 使得总线处于 死锁 状态 CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接

9、口芯片来实现 从而大大降低系统开发难度 缩短了开发周期 这些是只仅仅有电气协议的RS 485所无法比拟的 另外 与其它现场总线比较而言 CAN总线是具有通信速率高 容易实现 低成本 且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线 这些也是目前CAN总线应用于众多领域 具有强劲的市场竞争力的重要原因 4 1 2发展背景及应用情况 1 CAN 控制器局域网 的起源1986年2月 德国RobertBosch公司介绍了一种新型的串行总线 CAN控制器局域网 在此之前还没有一种现成的网络方案能够完全满足汽车工程师们增加新功能 减少电气连接线 使其能够用于产品 而非用于驱动技术的要求 1987年中期

10、Intel交付了首枚CAN控制器82526 这是CAN方案首次通过硬件加以实现 不久之后 Philips半导体推出了82C200 由于这两枚最先的CAN控制器在性能上各有千秋 因此形成Philips主推的BasicCAN和Intel主推的FullCAN两大阵营 今天的CAN控制器中 在同一模块中的验收滤波和报文控制方面仍有相当的不同 今天 在欧洲几乎每一辆新客车均装配有CAN局域网 同样 CAN也用于其他类型的交通工具 甚至工业控制等领域也被大量使用 CAN已经成为全球范围内最重要的总线之一 2000年 全球市场销售超过1亿个CAN器件 标准化与一致性1990年 BoschCAN规范 CAN2

11、 0版 被提交给国际标准化组织 于1993年11月出版了CAN的国际标准ISO11898 除了CAN协议外 它也规定了最高至1Mbps波特率时的物理层 同时 在国际标准ISO11519 2中也规定了CAN数据传输中的容错方法 1995年 国际标准ISO11898进行了扩展 以附录的形式说明了29位CAN标识符 当前 修订的CAN规范正在标准化中 ISO11898 1称为 CAN数据链路层 ISO11898 2称为 非容错CAN物理层 ISO11898 3称为 容错CAN物理层 国际标准ISO11992 卡车和拖车接口 和 ISO11783 农业和森林机械 都在美国标准J1939的基础上定义了基

12、于CAN应用的子协议 CAN的发展过程尽管当初研究CAN的起点是应用于客车系统 但CAN的第一个市场应用却来自于其他领域 特别是在北欧 CAN早已得到非常普遍的应用 在荷兰 电梯厂商Kone在电梯上使用了CAN总线 Philips医疗系统也使用CAN构成X光机的内部网络 成为CAN的用户 1992年5月 CiA CANinAutomation 用户集团正式成立 CiA推荐仅使用遵循ISO11898的CAN收发器 现在 在当时的CAN网络中使用非常普遍但并不兼容的RS 485收发器已基本消失 从1990年中期起 Infineon公司和Motorola公司等生产CAN模块集成器件的15家半导体厂商

13、已向欧洲的汽车厂商提供 了大量的CAN控制器 从1990年后期起 亚洲的半导体厂商也开始提供CAN控制器 从1992年起 奔驰公司开始在高级轿车中使用CAN技术 第一步使用电子控制器通过CAN对发动机进行管理 第二步使用控制器接收人们的操作信号 这就使用了2个物理上独立的CAN总线系统 它们通过网关连接 其他的汽车厂商在他们的汽车上也使用2套CAN总线系统 现在 继Volvo Saab Volkswagen BMW之后 Renault和Fiat也开始在他们的汽车上使用CAN总线 不仅如此 由于CAN总线的突出优势 其应用已经发展到了几乎涵盖所有的网络控制领域 4 1 3一个典型的工程实例 目前

14、的汽车电子信息产品已经平均占到汽车总成本的1 3 并且这个比率正在不断被提高 有专家认为 未来10年内 这个比率将达到40 中高级轿车 客车甚至大型卡车上普遍采用了CAN总线 不仅提高了性能 节省大量电缆 而且给人们带来了更好的享受 提高了驾驭者的舒适程度 一汽 大众汽车有限公司2001年12月上市的宝来 Bora 轿车 在动力传动系统和舒适系统中就装用了两套CAN数据传输系统 其中CAN数据传输舒适系统如图4 1所示 接发电机底盘网络 仪表单元 前门单元 车身中央控制单元 空调单元 前座单元 顶窗单元 前座单元 左前门单元 后门单元 后门单元 后座单元 后窗单元 图4 1CAN数据传输舒适系

15、统CANZONGXIAN 图上较粗线代表CAN总线 它连接了传动装置控制中央单元 灯控单元 门控单元 座椅控制单元 空调单元以及仪表盘控制单元等等 较细线代表LIN总线 由LIN总线构成的LIN网络作为CAN网络的辅助网络 连接了车窗控制单元 雨刷控制单元 天窗控制单元等低速设备 CAN数据传输舒适系统网络与动力传动系统网络通过网桥相互通信 LIN网络 LocalInterconnectNetwork 由汽车厂商为汽车开发 作为CAN网络的辅助网络 目标应用在低端系统 不需要CAN的性能 带宽以及复杂性 LIN的工作方式是一主多从 单线双向低速传送数据 最高20K位 秒 与CAN相比具有更低的

16、成本 且基于UART接口 无需硬件协议控制器 使系统成本更低 4 2CAN的物理层 ISO11898是一个使用CAN总线协议的汽车内高速通讯国际标准 这个标准的基本作用是定义了通讯链路的数据链路层和物理层 如图4 2所示物理层被细分成3个子层 它们分别是 l物理信令位编码定时和同步l物理媒体连接驱动器和接收器特性l媒体相关接口总线连接器收发器实现物理媒体连接子层 物理信令子层和数据链路层之间的连接是通过集成的协议控制器实现的 如 PCx82C200 SJA1000等 而媒体相关接口负责连接传输媒体譬如将总线节点连接到总线的连接器 如 PCA82C250 TJA1050等收发器 图4 2ISO11898标准数据链路层和物理层结构图 4 2CAN的物理层 4 2 1CAN的网络拓扑4 2 2CAN的媒体连接 4 2 1CAN的网络拓扑 CAN以多主方式工作 网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息 而不分主从 通信方式灵活 其网络拓扑形式大多是总线型结构 拓扑示意图见图4 3 4 2 2CAN的物理媒体连接 CAN总线物理层的物理媒体连接比较灵活 可以采用共地的单