工业控制网络03

《工业控制网络03》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工业控制网络03（118页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、工 业 控 制 网 络 （现场总线） 第三章CAN总线 主讲教师：孟凡刚,3.1 概述 3.2 CAN技术规范 3.3 CAN总线基本技术阐释与分析 3.4 独立CAN控制器SJA1000 3.5 CAN控制器接口PCA82C250/251 3.6 CAN的应用层协议,第3章 CAN总线,CAN（Controller Area Network，控制器局域网）是20世纪80年代（1983）德国Bosch（博世）公司为解决众多的测量控制部件之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信总线。 一种高性能、高可靠性、易开发和低成本的现场总线，国际上应用最广泛的国际标准现场总线之一，最早在我国应用的总线之

2、一，公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN已成为国际标准ISO11898和ISO11519。,3.1 概述,CAN在汽车电子系统中得到了广泛应用，已成为世界汽车制造业的主体行业标准，代表着汽车电子控制网络的主流发展趋势。世界上一些著名的汽车制造厂商都已采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测及执行机构间的数据通信。,3.1 概述,CAN总线应用范围广泛。现已广泛应用于航天、电力、石化、冶金、纺织、造纸、仓储等行业,CAN总线技术特点：(1)CAN从本质上讲是一种多主或对等网络，网络上任一节点均可主动发送报文 。 (2)废除了传统的站地址编码，代之以对通信数据进行编码；通过报文过滤，可实现

3、点对点、多点播送（传送）、广播等几种数据传送方式。,3.1 概述,(3)采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低。 (4)具有多种检错措施及相应的处理功能，检错效果好，处理功能强，保证了通信的高可靠性。 (5)通信介质（媒体）可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。,3.1 概述,(6)总线长度可达10km（速率为5kbps及其以下）；网络速度可达1Mbps（总线长度为40m及其以下）。 (7)网络上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；标准格式的报文标识符可达2032个，而扩展格式的报文标识符的个数几乎不受限制。,3.1 概述,(8)通过报文标识符来定义节点报文的优先级。对于实时性要

4、求不同的节点报文，可定义不同级别的优先级，从而保证高优先级的节点报文得到优先发送。 (9)采用非破坏性逐位仲裁机制来解决总线访问冲突。 (10)发生严重错误的节点具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节点的通信能够继续进行。,3.1 概述,3.2 CAN技术规范,CAN2.0规范的目的是使任意两个应用CAN总线的设备都能兼容。 CAN2.0规范分为CAN2.0A和CAN2.0B， CAN2.0A给出了CAN报文标准格式（11位标识符）， CAN2.0B给出了标准（11位标识符）的和扩展的（29位标识符）两种格式。 同一网络内的所有CAN节点必须具有相同的物理层。应用CAN总线的设备既可与2.0

5、A规范兼容，也可与2.0B规范兼容。,CAN2.0规范主要对数据链路层和物理层中位编/解码、位定时等进行了描述，未定义物理层中的驱动器/接收器特性、传输介质和信号电平等内容，便于在具体应用中根据实际情况进行选择和优化。目前比较常用的CAN总线传输介质为双绞线。,3.2.1. CAN节点的分层结构 3.2.2 CAN的一些基本概念 3.2.3 报文传送及其帧类型 3.2.4 错误类型和界定 3.2.5 位定时与同步,3.2 CAN技术规范,3.2.1 CAN节点的分层结构,为了使设计透明和执行灵活，遵循OSI参考模型，CAN分为数据链路层（包括逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层）和物理层。 在C

6、AN技术规范2.0A的版本中，逻辑链路控制子层（LLC）和媒利访问控制子层（MAC）的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”。,3.2.1 CAN节点的分层结构,物理层定义了信号是如何传输的，涉及位定时、位编码和同步的描述。CAN技术规范没有定义物理层的驱动器/接收器特性，允许根据具体应用对传输介质和信号电平的实现进行优化。同一网络内所有节点的物理层必须是相同的。,LLC子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服务，在由LLC子层接收到的报文当中，确定实际采用哪些报文，为恢复管理和通知超载提供信息。,MAC子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定

7、，是CAN协议的核心。它把接收到的报文呈现给LLC，并接收来自LLC的报文以便发送。MAC子层由称为故障界定的一个管理实体监控，它具有识别永久性故障或短暂扰动的自检机制。 MAC子层不存在修改的灵活性。,（1）报文（Messages）：总线上的信息以固定格式和有限长度的报文发送。当总线开放时，任何连接的单元均可开始发送一个新报文。 （2）信息路由：在CAN系统里，节点不使用任何关于系统配置的信息（如站地址）。 （3）系统灵活性：不需要改变任何节点的应用层及相关的软件或硬件，就可以在CAN网络中直接添加节点。,3.2.2 CAN的基本概念,（4）报文路由：一个报文的内容由一个标识符ID命名。ID

8、并不指明报文的目的，但描述数据的含义，以便网络中的所有节点有可能借助报文过滤决定该数据是否由它们接收。 （5）多播（多点传送）：作为报文过滤概念的结果，任何数目的节点均可接收同一个报文，并且同时按该报文的要求作出响应。 （6）数据连贯性（一致性）：在CAN中，可以确保报文同时被所有的节点接收（或同时不被接收）。系统的数据连贯性是通过多播和错误处理的机制来实现的。,3.2.2 CAN的基本概念,（7）位速率（Bit Rate）： CAN的数据传输速度在不同系统中是不同的。在一给定的系统里，位速率是唯一的，并且是固定的。 （8）优先权（Priorities）：在总线访问期间，标识符ID为报文定义了

9、一个静态的优先权。,3.2.2 CAN的基本概念,（9）远程数据请求（Remote Data Request）：通过发送远程帧，一个需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的数据帧。该数据帧和相应的远程帧以相同的标识符ID命名。 （10）多主站（Multimaster）：总线空闲时，任何节点都可以开始传送报文。具有较高优先权报文的节点可以获得总线访问权。,3.2.2 CAN的基本概念,（11）仲裁（Arbitration）：只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文。如果2个或2个以上的单元同时开始传送报文，就会有总线访问冲突。使用标识符的逐位仲裁来解决该冲突。仲裁的机制确保信息和时间均不会损失。

10、当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发出时，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与监测到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。如果发送的是一“隐性”电平而监测到的是一“显性”电平（电平的含义见总线值），那么该节点就失去了仲裁，必须退出发送状态。,3.2.2 CAN的基本概念,（12）安全性（Safety）：为了获得最安全的数据发送，CAN的每个节点均采取了强有力的措施以进行错误检测、错误标定及错误自检。 （13）错误检测（Error Detection）：为了检测错误，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）。 循环冗余检

11、查。 位填充。 报文格式检查。,3.2.2 CAN的基本概念,（14）错误检测的执行（Performance of Error Detection）：错误检测的机制要具有以下属性 检测到所有的全局错误。 检测到发送器所有的局部错误。 可以检测到报文里多达5个任意分布的错误。 检测到报文里长度低于15（位）的突发性错误。 检测到报文里任一奇数个的错误。 对于没有被检测到的错误报文，其遗漏错误的概率低于：报文错误率4.710-11。,3.2.2 CAN的基本概念,（15）错误标定和恢复时间（Error Signalling and Recovery Time）：任何检测到错误的节点会标志出己损坏的

12、报文，此报文会失效并将自动重新传送。如果不再出现新错误的话，从检测到错误到下一报文的传送开始为止，恢复时间最多为31个位时间。 （16）故障界定：CAN节点能够把永久故障和短暂扰动区分开来。永久故障的节点会被关闭。,3.2.2 CAN的基本概念,（17）连接：CAN的串行通讯链路是可以连接众多节点单元的总线。理论上，节点单元的数目是无限的。实际上，节点单元总数受延迟时间和/或总线电气负载的限制。 （18）单通道（Single Channel）：总线由一条可传输比特流的信道组成，从中可以得到数据重同步的信息。在规范中，实现该信道的方法并不固定。例如，可以是单线（加地线），可以是两根差分线，或者光

13、纤等。,3.2.2 CAN的基本概念,（19）总线值（Bus Value）：总线有一对互补的逻辑值：显性或隐性。如果显性位和隐性位同时传送，总线上的逻辑值将为显性。如果以0表示显性电平，1表示隐性电平，总线逻辑就符合“线与”的关系。表示逻辑电平的物理状态（如电压、光强等）在规范中没有给出。 （20）应答（Acknowledgment）：所有总线上的接收器检查报文是否符合规范的描述，并且对符合规范描述的报文给以应答，对不符合的报文进行标识。,CAN能够使用多种物理媒体，如双绞线、光纤等，最常用的就是双绞线。信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“CAN_H”和“CAN_L”，静态时均是2.5V左

14、右，此时状态表示为逻辑“1”，也可以叫做“隐性”。用CAN_H比CAN_L高表示逻辑“0”，称为“显性”，此时电压通常为：CAN_H=3.5V和CAN_L=l.5V。,3.2.2 CAN的基本概念,（21）睡眠模式/唤醒（Sleep Mode/Wake-up）：为了减少系统电源的功率消耗，可以将CAN器件设为睡眠模式，以便停止内部活动，并断开与总线驱动器的连接。CAN器件可由总线激活，或系统内部活动而被唤醒。 唤醒时，虽然传输层要等待一段时间使系统振荡器稳定，然后还要等待一段时间直到与总线活动同步（通过检查11个连续的“隐性”的位），但在总线驱动器被重新设置为“总线在线”之前，内部运行已重新开

15、始。 为了唤醒系统上正处于睡眠模式的其他节点，可以使用一特殊的唤醒报文，此报文具有专门的、最低等级的标识符。(rrr rrrd rrrr；r=隐性recessive，d=显性dominance)。,3.2.2 CAN的基本概念,接收器/发送器 发出一个报文的节点称为该报文的发送器。 若一个节点不是某个报文的发送器，并且总线不处于空闲状态，则称该节点为该报文的接收器。,3.2.3 CAN报文传送及其帧类型,报文的有效性 对于发送器而言，如果直到“帧结束”终结一直未出错，则报文有效。 对于接收器而言，如果直到最后（除“帧结束”的那一位）一直未出错，则报文有效。,3.2.3 CAN报文传送及其帧类型

16、,报文传送由4种不同类型的帧表示和控制： 数据帧携带数据由发送器至接收器； 远程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧； 错误帧由检测到总线错误的任何单元发送； 超载帧用于提供当前的和后续的数据帧或远程帧之间的附加延迟。,3.2.3 CAN报文传送及其帧类型,报文帧格式： 标准帧：含有11位标识符 扩展帧：含有29位标识符。,3.2.3 CAN报文传送及其帧类型,数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式，它们用一个帧间间隔与前面的帧分开。帧间间隔：也称为帧间空间，指节点传输完一帧之后，必须再经过帧间间隔的时间才能传输下一帧。后面详细介绍。,3.2.3 CAN报文传送及其帧类型,数据帧由7个不同的位场(Bit Frame)组成： 帧起始(Start of Frame) 仲裁场(Arbitration Field) 控制场(Control Field) 数据场(Data Field)（长度可为0） CRC场(CRC Field) 应答场(ACK Field) 帧结束(End of Field),