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1、现场总线技术 第二章 CAN技术规范介绍教材：现场总线CAN原理与应用技术 作者：绕运涛、邹继军、郑勇荟中国矿业大学/徐海学院 2012-08中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术2CAN技术规范介绍-标准n标准nBOSCH公司nV1.2nV2.0AnV2.0B (V2.0B完全兼容2.0A)n国际标准化组织nISO 11898道路交通运载工具-数字交换-高速通信控制器局 部网n现在所有厂家生产的CAN控制器都已支持V2.0B中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术3CAN技术规范介绍-应用n应用nCAN连接
2、发动机控制单元，各种传感器，刹车系统、 减震系统、防滑系统、转向系统n车灯组，电气车窗，代替接线配线装置n音响、视频等娱乐、辅助单元n车身环境控制系统n中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术4CAN特性nCAN特性n支持报文优先权n保证报文延迟时间n设置灵活n时间同步的多点接收n系统内数据的一致性(System Wide Data Consistency)n多主机网络（对等网）n错误监测和错误标定n只要总线空闲，就自动将被破坏的报文重新传输n将节点的暂时性错误和永久性错误区分开，自动关闭 CAN的错误节点中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2
3、012-08 V2.01现场总线技术5CAN分层模型n依据ISO-OSI参考模型的分层结构n物理层n数据链路层n物理层n定义信号如何实际地传输n涉及位定时、位编码/解码、同步n未定义物理层的驱动器/接收器特性， 以便允许根据实际的应用对发送媒体 和信号电平进行优化中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术6CAN分层模型-数据链路层n数据链路层n介质访问控制子层MAC (Media Access Control)nCAN的核心n将接收到的报文提供给LLC子层n接收来自LLC子层的报文nMAC子层负责分帧、仲裁、应答、错 误检测和标定n受“故障界定”管理实
4、体监管故障 界定为自检机制，将永久故障和暂时 扰动区分开n逻辑链路控制子层LLC (Logical Link Control)n进行报文过滤、过载通知、恢复管理中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术7CAN基本概念-报文n报文(Message)n总线上的信息以几个不同类型的固定格式的报文发送，但是长度 受限n当总线空闲时，任何连接在网络上的单元都可以开始发送新的报 文中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术8CAN基本概念-信息路由n信息路由(Information Routing)nCAN系统中，CAN的节
5、点不使用任何关于系统结构的信息(如节 点地址)n系统灵活性n不需要应用层以及任何节点软件和硬件的任何改变，可以在CAN网 络中直接添加站点n报文路由n报文的寻址内容由标识符指定n标识符不指出报文的目的地，但是这个数据的特定含义使得网络上 所有节点通过报文滤波来判断该数据是否应该由它(们)接收n多点传送(Multicast)n由于报文的滤波作用，任何数目的节点对同一条报文都可以接收并 同时对此报文作出反应n数据一致性(Consistency)n在CAN网络里确保报文同时被所有的节点接收(或无节点接收)n系统的这种数据一致性是靠多点传送和错误处理机制来实现中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有
6、 2012-08 V2.01现场总线技术9CAN基本概念(续1)n位速率(Bit Rate)n在一个给定的CAN系统中，位速率是唯一的，并且是固定的n优先权(Priorities)n在总线访问期间，标识符定义一个静态的(固定的)报文优先权n远程数据请求(Remote Data Request)n通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的 数据帧n数据帧和对应的远程帧具有相同的标识符n多主机(Multimaster)n总线空闲时，任何节点都可以开始传送报文n具有较高优先权报文的节点可以获得总线访问权中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术1
7、0CAN基本概念(续2)n仲裁(Arbitration)n如果两个或两个以上的单元同时开始传送报文，就会发生总线访 问冲突n通过使用标识符逐位仲裁解决冲突n仲裁机制确保报文和时间均不损失n具有相同标识符的远程帧和数据帧同时发送时，数据帧优先于远 程帧n仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平 进行比较，如果电平相同，则这个单元可以继续发送如果发送电平和监视电平不符，这个单元失去仲裁，必须退出发 送状态中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术11CAN基本概念-安全性n安全性(Safety)n为了获得安全的数据发送，每个CAN节点均采取措
8、施进 行错误检测、错误标定、错误自检n错误检测(Error Detection)n进行错误检测，需要采取以下措施 监视发送器对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较 循环冗余(CRC)检查 位填充 报文格式检查中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术12CAN基本概念-安全性（续1）n错误检测的性能(Performance or Error Detection)n错误检测的机制具有以下属性：n检测所有全局错误n检测到发送器的所有局部错误n可以检测到报文里多达5个任意分布的错误n检测到报文里长度低于15位的突发性错误n检测到报文里任意奇数个错误n对于未检
9、测到错误的报文，其遗漏错误的概率低于：4.710 -11中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术13CAN基本概念-安全性（续2）n错误标定和恢复时间(Error Signaling and Recovery Time)n任何检测到错误的节点会标示出损坏的报文，此报文会失效并将 自动重新传送n如果不再出现错误，那么从检测到错误到下一条报文传送开始为 止，恢复时间最多为31个位的时间n故障界定(Fault Confinement)nCAN节点能够把永久故障和暂时干扰区别开，关闭故障节点中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01
10、现场总线技术14CAN基本概念(续3)n连接(Connections)nCAN串行通讯链路是可以连接许多单元的总线，理论上可以连接 无数个单元n实际连接数量受延迟时间以及总线驱动能力的影响n单一通道(Single Channel)n总线由单一通道组成，传输位流n从传输的数据中可以再获得同步信息n规范没有规定通道实现通信的方法，因此可以采用单芯线(加地线 )、两条差分线、光缆等中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术15CAN基本概念(续4)n总线值的表示(Bus Value)n总线上有两个互补的逻辑值中的一个：“显性，Dominant”和“隐性，Rec
11、essive”n当显性位和隐性位同时传送时，其结果是总线的值是显性，例如在总线上执行“线与”时，显性位代表逻辑“0”，隐性位代表逻辑“1”，0 and 1 0n规范没有规定表示逻辑值的物理状态：比如电压、光强度中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术16CAN基本概念(续5)n应答(Acknowledgement)n所有的接收器对接收到的报文进行一致性检查，对于一致的报文，接收器给予应答；不一致的报文，接收器作出标志n睡眠模式/唤醒(Sleep Mode/Wake-up)nCAN器件可以设置为睡眠模式节省电能，睡眠模式停止活动并与总线驱动器断开n睡眠模
12、式可以由于总线运作或系统内部条件改变而结束n总线唤醒时，等待振荡器工作稳定，等待与总线活动同步（等待11个连续隐性位）中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术17振荡器误差(Oscillator Tolerance)n振荡器误差(Oscillator Tolerance)n位定时的精度要求允许在传输率为125Kbps以内的应用中使用陶瓷谐振器n为了满足CAN协议的整个速度范围(达到1Mbps)位定时的精度，需要使用晶体振荡器中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术18报文传输n帧格式n标准帧nBOSCH V2.
13、0 An11位标识符n扩展帧nBOSCH V2.0 Bn29位标识符n帧类型n4种不同类型的帧n数据帧(Data Frame)将数据从发送站点传送到接收站点，发送数据n远程帧(Remote Frame)请求发送具有同一标识符的数据帧,请求数据n错误帧(Error Frame) 任何单元检测到总线错误即发出错误帧n过载帧(Overload Frame) 在相邻的数据帧或远程帧之间提供更多的 延时中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术19数据帧n数据帧n7个位域构成n帧起始(Start of Frame)仲裁域(Arbitration Field)n控制
14、域(Control Field)数据域(Data Field)nCRC域(CRC Field) 应答域(ACK Field)n帧结尾(End of Frame)n数据域长度可以为0 n帧起始(SoF)n适合标准格式和扩展格式n标示报文帧的开始n由一个显性位组成(逻辑0)n总线空闲时允许站点开始发送n所有站点必须同步于总线空闲期间第一个发送帧的起始前沿中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术20数据帧-仲裁域-标准格式n标准格式n仲裁域由11位标识符 + RTR位组成n11位标识符 ID-28ID18n标准格式标识符n标准格式标识符11位，相当于扩展格式
15、基本IDn按照ID-28ID18顺序发送，高位在前n7个最高位 ID-28ID22中不能全是隐形(逻辑1)中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术21数据帧-仲裁域-扩展格式n扩展格式n29位标识符ID28ID0nSRRnIDEnRTR n扩展格式标识符n11位基本ID + 18位扩展IDn基本ID：相当于标准格式标识符，定义扩展帧的基本优先权n扩展ID：ID17ID0中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术22数据帧-仲裁域(续)nRTRn远程发送请求位(Remote Transmission Request
16、 Bit)nRTR在数据帧中为显性(逻辑0)nRTR在远程帧中为隐性(逻辑1)nSRRn替代远程请求位(Substitute Remote Request Bit)n隐性位(逻辑1)n代替标准帧中RTR位置n当标准帧与扩展帧发生冲突，扩展帧的基本ID与标准帧的标识符 相同时，标准帧优先nIDEn标识符扩展位(Identifier Extension Bit)n标准格式中IDE显性位(逻辑0) ，扩展格式中IDE为隐性位(逻辑1)中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术23数据帧-控制域n控制域n6位，标准格式和扩展格式不同n标准格式nIDE显性位，r0保留位-显性位n扩展格式n保留位r1，r0显性位中国矿业大学机电工程学院-张有忠 版权所有 2012-08 V2.01现场总线技术24数据帧-控制域-数据长度代码n数据长度代码n标识帧中数据的个数n0
