现场总线与工业以太网CAN总线.ppt

第第4 4章章 CAN CAN 总总 线线4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 CANCAN的的物理层的的物理层4.3 4.3 CANCAN协议规范协议规范4.4 4.4 典型典型CANCAN总线器件及应用总线器件及应用第第4 4章章 CAN CAN 总总 线线 CAN CAN（Controller Area NetworkController Area Network）即控制器局域网，可以）即控制器局域网，可以归属于工业现场总线的范畴，通常称为归属于工业现场总线的范畴，通常称为CAN busCAN bus，即，即CANCAN总线，总线，是目前国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。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，与一般的通信总线相比，CANCAN总线的数据通信具有突出的可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，如界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ(BENZ(奔驰奔驰)、BMW(BMW(宝马宝马)、volkswagen(volkswagen(大众大众)等都采用了等都采用了CANCAN总线来实现汽车内部控制系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。统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于同时，由于CANCAN总线的特点，其应用范围目前已不仅局限于总线的特点，其应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。及传感器等领域中得到了广泛应用。4.1 4.1 概述概述4.1.1 4.1.1 CANCAN工作原理、特点工作原理、特点4.1.2 4.1.2 发展背景及应用情况发展背景及应用情况4.1.3 4.1.3 一个典型的工程实例一个典型的工程实例4.14.1概述概述 CAN CAN 最初出现在汽车工业中，最初出现在汽车工业中，8080年代由德国年代由德国BoschBosch公司公司最先提出。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。制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。19931993年年CAN CAN 成为国际标准成为国际标准ISO11898(ISO11898(高速应用高速应用)和和ISO11519ISO11519（低速应用）。（低速应用）。由于其良好的性能及独特的设计，由于其良好的性能及独特的设计，CANCAN总线越来越受到总线越来越受到人们的重视。随着应用领域的增多，人们的重视。随着应用领域的增多，CANCAN的规范从的规范从CAN 1.2 CAN 1.2 规范规范(标准格式标准格式)发展为兼容发展为兼容CAN 1.2 CAN 1.2 规范的规范的CAN2.0CAN2.0规范规范(CAN2.0A(CAN2.0A为标准格式，为标准格式，CAN2.0BCAN2.0B为扩展格式为扩展格式)，目前应用的，目前应用的CANCAN器件大多符合器件大多符合CAN2.0CAN2.0规范。规范。4.1.1CAN的工作原理、特点的工作原理、特点1 1 CAN CAN 的工作原理的工作原理 当当CAN CAN 总线上的一个节点总线上的一个节点(站站)发送数据时，它以报文形发送数据时，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。每组报文开头的是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的1111位字符位字符为标识符为标识符(CAN2.0A)(CAN2.0A)，定义了报文的优先级，这种报文格式称，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，该节点的向其它节点发送数据时，该节点的CPU CPU 将要发送的数据和自将要发送的数据和自己的标识符传送给本节点的己的标识符传送给本节点的CANCAN芯片，并处于准备状态；当芯片，并处于准备状态；当它它收到收到总线分配分配时，转为发送送报文状文状态。CAN CAN 芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时这时 网上的其它节点处于接收状态。网上的其它节点处于接收状态。每每个个处处于于接接收收状状态态的的节节点点对对接接收收到到的的报报文文进进行行检检测测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。由由于于CAN CAN 总总线线是是一一种种面面向向内内容容的的编编址址方方案案，因因此此很很容容易易建建立立高高水水准准的的控控制制系系统统并并灵灵活活地地进进行行配配置置。我我们们可可以以很很容容易易地地在在CAN CAN 总总线线中中加加进进一一些些新新节节点点而而无无需需在在硬硬件件或或软软件件上上进进行行修修改改。当当所所提提供供的的新新节节点点是是纯纯数数据据接接收收设设备备时时，数数据据传传输输协协议议不不要要求求独独立立的的部部分分有有物物理理目目的的地地址址。它它允允许许分分布布过过程程同同步步化化，即即总总线线上上控控制制器器需需要要测测量量数数据据时时，可可由由网网上获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器。上获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器。2 2 CANCAN总线特点总线特点 CANCAN总总线线是是一一种种串串行行数数据据通通信信协协议议，通通信信介介质质可可以以是是双双绞绞线线、同同轴轴电电缆缆或或光光导导纤纤维维。最最大大通通讯讯距距离离可可达达10km10km，最最大大通通信信速速率率可可达达1Mbps1Mbps。CANCAN总总线线通通信信接接口口中中集集成成了了CANCAN协协议议的的物物理理层层和和数数据据链链路路层层功功能能，可可完完成成对对通通信信数数据据的的成成帧帧处处理理，包包括括位位填填充充、数数据据块块编编码码、循循环环冗冗余余检检验验、优优先先级判别等项工作。级判别等项工作。CANCAN总线特点如下：总线特点如下：（1 1）可可以以多多主主方方式式工工作作，网网络络上上任任意意一一个个节节点点均均可可以以在在任任意意时时刻刻主主动动地地向向网网络络上上的的其其他他节节点点发发送送信信息息，而而不不分分主主从从，通通信信方方式式灵灵活活。利利用用这这一一特特点点也也可可方方便便地地构构成成多多机机备备份系统。份系统。（2 2）网络上的节点（信息）可分成不同的优先级可以满网络上的节点（信息）可分成不同的优先级可以满足不同的实时要求。足不同的实时要求。（3 3）CANCAN总线采用非破坏性位仲裁总线结构机制，当总线采用非破坏性位仲裁总线结构机制，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）。则可能）。（4 4）可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播几种可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播几种传送方式接收数据。传送方式接收数据。（5 5）直接通信距离最远可达直接通信距离最远可达10km10km（速率（速率5Kbps5Kbps以下）。以下）。（6 6）通信速率最高可达）通信速率最高可达1MB/s1MB/s（此时距离最长（此时距离最长40m40m）。）。（7 7）节点数实际可达）节点数实际可达110110个。个。（8 8）采用短帧结构，每一帧的有效字节数为）采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 8个，这样传输个，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。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 9）每帧信息都有）每帧信息都有CRCCRC校验及其他检错措施，保证了数据出校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。错率极低。（1010）通信介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维，一般）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。采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。（1111）节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，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。切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。CANCAN总总线线协协议议已已被被国国际际标标准准化化组组织织认认证证，技技术术比比较较成成熟熟，控控制制的的芯芯片片已已经经商商品品化化，性性价价比比高高，特特别别适适用用于于分分布布式式测测控控系系统之间的数据通讯。统之间的数据通讯。CAN CAN 控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总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线访问优先权(取决于报文标识符取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且方式竞争向总线发送数据，且CAN CAN 协议废除了节点地址编码，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，这些特点使得相同的数据，这些特点使得CAN CAN 总线构成的网络各节点之间的总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。而利用性和系统的灵活性。而利用RS-485 RS-485 只能构成主从式结构系统，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；靠性较差；CAN CAN 总线通通过CAN CAN 控制器接口芯片两个控制器接口芯片两个输出端的出端的电平状平状态，可以保可以保证不会出不会出现象在象在RS-485RS-485网网络中，当系中，当系统有有错误，出现多出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从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。而且而损坏某些节点的现象。而且CAN CAN 节点在错误严重的情况下具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，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，使得总线处于线处于“死锁死锁”状态。状态。CAN CAN 具有的完善的通信协议可由具有的完善的通信协议可由CAN CAN 控制器芯片及其接口控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，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这些是只仅仅有电气协议的RS-485 RS-485 所无法比拟的。另外，与所无法比拟的。另外，与其它现场总线比较而言，其它现场总线比较而言，CAN CAN 总线是具有通信速率高、容易实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、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。这些也是目前现场总线。这些也是目前CAN CAN 总线应用于众多领域，具有强劲总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。的市场竞争力的重要原因。4.1.2发展背景及应用情况发展背景及应用情况 1.CAN 1.CAN（控制器局域网）的起源（控制器局域网）的起源 19861986年年2 2月，德国月，德国Robert Bosch Robert Bosch 公司介绍了一种新型的串公司介绍了一种新型的串行总线行总线CANCAN控制器局域网。在此之前还没有一种现成的网控制器局域网。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。线，使其能够用于产品，而非用于驱动技术的要求。19871987年中期，年中期，IntelIntel交付了首枚交付了首枚CANCAN控制器控制器8252682526，这是，这是CANCAN方案首次通过硬件加以实现。不久之后，方案首次通过硬件加以实现。不久之后，Philips Philips 半导体推出半导体推出了了82C20082C200。由于这两枚最先的。由于这两枚最先的CANCAN控制器在性能上各有千秋，控制器在性能上各有千秋，因此形成因此形成PhilipsPhilips主推的主推的BasicCAN BasicCAN 和和IntelIntel主推的主推的FullCAN FullCAN 两两大阵营。今天的大阵营。今天的CANCAN控制器中，在同一模块中的验收滤波和报控制器中，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。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今天，在欧洲几乎每一辆新客车均装配有CANCAN局域网。局域网。同样，同样，CANCAN也用于其他类型的交通工具，甚至工业控制等领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。域也被大量使用。CANCAN已经成为全球范围内最重要的总线之已经成为全球范围内最重要的总线之一。一。20002000年，全球市场销售超过年，全球市场销售超过1 1亿个亿个CANCAN器件。器件。标准化与一致性标准化与一致性 19901990年，年，Bosch CAN Bosch CAN 规范（规范（CAN 2.0CAN 2.0版）被提交给国际版）被提交给国际标准化组织，于标准化组织，于19931993年年1111月出版了月出版了CANCAN的国际标准的国际标准ISO11898ISO11898，除了，除了CANCAN协议外，它也规定了最高至协议外，它也规定了最高至1Mbps1Mbps波特率时的物理波特率时的物理层。同时，在国际标准层。同时，在国际标准ISO11519-2ISO11519-2中也规定了中也规定了CANCAN数据传输数据传输中的容错方法。中的容错方法。19951995年，国际标准年，国际标准ISO11898ISO11898进行了扩展，以进行了扩展，以附录的形式说明了附录的形式说明了2929位位CANCAN标识符。当前，修订的标识符。当前，修订的CANCAN规范正规范正在标准化中。在标准化中。ISO11898-1ISO11898-1称为称为“CANCAN数据链路层数据链路层”，ISO11898-2ISO11898-2称为称为“非容错非容错CANCAN物理层物理层”，ISO11898-3ISO11898-3称称为“容容错CANCAN物理物理层”。国。国际标准准ISO11992ISO11992（卡（卡车和拖和拖车接口）和接口）和ISO11783（农业和（农业和森林机械）都在美国标准森林机械）都在美国标准J1939J1939的基础上定的基础上定义了基于义了基于CANCAN应用的子协议。应用的子协议。CANCAN的发展过程的发展过程 尽尽管管当当初初研研究究CANCAN的的起起点点是是应用用于于客客车系系统，但但CANCAN的的第第一一个个市市场应用用却却来来自自于于其其他他领域域。特特别是是在在北北欧欧，CANCAN早早已已得得到到非非常常普普遍遍的的应用用。在在荷荷兰，电梯梯厂厂商商KoneKone在在电梯梯上上使使用用了了CANCAN总线，PhilipsPhilips医医疗系系统也也使使用用CANCAN构构成成X X光光机机的的内内部部网网络，成成为CANCAN的用的用户。19921992年年5 5月月，CiACiA“CAN CAN in in AutomationAutomation”用用户集集团正正式式成成立立。CiACiA推推荐荐仅使使用用遵遵循循ISO11898ISO11898的的CANCAN收收发器器。现在在，在在当当时的的CANCAN网网络中中使使用用非非常常普普遍遍但但并并不不兼兼容容的的RS-485RS-485收收发器器已已基基本本消失。消失。从从19901990年中期起，年中期起，InfineonInfineon公司和公司和MotorolaMotorola公司等生公司等生产CANCAN模模块集成器件的集成器件的1515家半家半导体厂商已向欧洲的汽体厂商已向欧洲的汽车厂商提供厂商提供了了大大量量的的CANCAN控控制制器器。从从19901990年年后后期期起起，亚洲洲的的半半导体体厂厂商商也也开始提供开始提供CANCAN控制器。控制器。从从19921992年年起起，奔奔驰公公司司开开始始在在高高级轿车中中使使用用CANCAN技技术。第第一一步步使使用用电子子控控制制器器通通过CANCAN对发动机机进行行管管理理；第第二二步步使使用用控控制制器器接接收收人人们的的操操作作信信号号。这就就使使用用了了2 2个个物物理理上上独独立立的的CANCAN总线系系统，它它们通通过网网关关连接接。其其他他的的汽汽车厂厂商商在在他他们的的汽汽车上也使用上也使用2 2套套CANCAN总线系系统。现在在，继VolvoVolvo、SaabSaab、VolkswagenVolkswagen、BMWBMW之之后后，RenaultRenault和和FiatFiat也也开开始始在在他他们的的汽汽车上上使使用用CANCAN总线。不不仅如如此此，由由于于CANCAN总线的的突突出出优势，其其应用用已已经发展展到到了了几几乎乎涵涵盖盖所所有有的的网网络控制控制领域。域。4.1.3一个典型的工程实例一个典型的工程实例 目目前前的的汽汽车电子子信信息息产品品已已经平平均均占占到到汽汽车总成成本本的的1/31/3，并并且且这个个比比率率正正在在不不断断被被提提高高，有有专家家认为，未未来来1010年年内内，这个个比比率率将将达达到到4040。中中高高级轿车、客客车甚甚至至大大型型卡卡车上上普普遍遍采采用用了了CANCAN总线，不不仅提提高高了了性性能能，节省省大大量量电缆，而而且且给人人们带来了更好的享受，提高了来了更好的享受，提高了驾驭者的舒适程度。者的舒适程度。一一汽汽-大大众众汽汽车有有限限公公司司20012001年年1212月月上上市市的的宝宝来来（BoraBora）轿车，在在动力力传动系系统和和舒舒适适系系统中中就就装装用用了了两两套套CANCAN数数据据传输系系统，其中，其中CANCAN数据数据传输舒适系舒适系统如如图4.14.1所示。所示。接发电接发电机机底盘网底盘网络络仪表单元仪表单元M MM MM MM MM MM MM MM MM MM MM MM M前门前门单元单元车身中央车身中央控制单元控制单元空调空调单元单元前座前座单元单元顶窗顶窗单元单元前座前座单元单元左前门左前门单元单元M MM MM M后门后门单元单元后门后门单元单元后座后座单元单元M MM M后窗后窗单元单元MM MM MCANCANMLINLIN电机电机加热器加热器灯具灯具控制面板控制面板图例图例：图4-1 CAN4-1 CAN数据数据传输舒适系舒适系统CANZONGXIANCANZONGXIAN 图上上较粗粗线代代表表CANCAN总线，它它连接接了了传动装装置置控控制制中中央央单元元、灯灯控控单元元、门控控单元元、座座椅椅控控制制单元元、空空调单元元以以及及仪表表盘控控制制单元元等等等等。较细线代代表表LINLIN总线，由由LINLIN总线构构成成的的LINLIN网网络作作为CANCAN网网络的的辅助助网网络，连接接了了车窗窗控控制制单元元、雨雨刷控制刷控制单元、天窗控制元、天窗控制单元等低速元等低速设备。CANCAN数数据据传输舒舒适适系系统网网络与与动力力传动系系统网网络通通过网网桥相互通信。相互通信。LINLIN网网络（Local Interconnect NetworkLocal Interconnect Network），由汽），由汽车厂商厂商为汽汽车开开发，作，作为CANCAN网网络的的辅助网助网络，目，目标应用在低端系用在低端系统，不需要不需要CANCAN的性能、的性能、带宽以及复以及复杂性。性。LINLIN的工作方式是一主的工作方式是一主多从，多从，单线双向低速双向低速传送数据（最高送数据（最高20K20K位位/秒），与秒），与CANCAN相比相比具有更低的成本，且基于具有更低的成本，且基于UARTUART接口，无需硬件接口，无需硬件协议控制器，控制器，使系使系统成本更低。成本更低。4.2CAN的物理层的物理层 ISO 11898ISO 11898是一个使用是一个使用CANCAN总线协议的汽车内高速通讯国际标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，如理层，如图图4.24.2所示物理层被细分成所示物理层被细分成3 3个子层，它们分别是：个子层，它们分别是：l l物理信令位编码定时和同步物理信令位编码定时和同步l l物理媒体连接驱动器和接收器特性物理媒体连接驱动器和接收器特性l l媒体相关接口总线连接器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：之间的连接是通过集成的协议控制器实现的，如：PCx82C200PCx82C200、SJA1000SJA1000等。而媒体相关接口负责连接传输媒体譬如将总线节点等。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：连接到总线的连接器，如：PCA82C250PCA82C250、TJA1050TJA1050等收发器。等收发器。图4.2 ISO118984.2 ISO11898标准数据准数据链路路层和物理和物理层结构构图 4.2 CAN4.2 CAN的物理层的物理层4.2.1 4.2.1 CANCAN的网络拓扑的网络拓扑4.2.2 4.2.2 CANCAN的媒体连接的媒体连接4.2.1CAN的网络拓扑的网络拓扑 CAN CAN以多主方式工作，网以多主方式工作，网络上任意一个上任意一个节点均可以在点均可以在任意任意时刻主刻主动地向网地向网络上的其他上的其他节点点发送信息，而不分送信息，而不分主从，通信方式灵活。其网主从，通信方式灵活。其网络拓扑形式大多是拓扑形式大多是总线型型结构，拓扑示意构，拓扑示意图见图4.34.3。节点点1 1节点点2 2节点点3 3节点点4 4CANCAN总线图4.3 CAN4.3 CAN的的总线型网型网CANCAN的网的网络拓扑拓扑4.2.2CAN的物理媒体连接的物理媒体连接 CAN CAN总线物理物理层的物理媒体的物理媒体连接比接比较灵活，可以采用共地灵活，可以采用共地的的单线式（汽式（汽车常用）、双常用）、双线式、同式、同轴电缆、双、双绞线、光、光缆等，理等，理论上上节点数目没有限制，点数目没有限制，实际可达可达110110个。个。电子信号在子信号在总线上会被信号上会被信号线终端反射回来，避免信号端反射回来，避免信号的反射的反射对节点正确点正确读取取总线电压非常重要。在非常重要。在总线的两个的两个终端加上端加上终端端电阻以阻以终结总线，可以避免信号反射。，可以避免信号反射。CANCAN总线具有两种具有两种逻辑状状态，隐性和性和显性。性。隐性状性状态下，下，VCAN-HVCAN-H和和VCAN-LVCAN-L被固定被固定为平均平均电压电平，平，两者两者电压差差为0 0。显性状性状态下，下，VCAN-HVCAN-H和和VCAN-LVCAN-L分分别为3.5V3.5V和和1.5V1.5V，两者，两者差分差分电压大于大于2V2V。如。如图4.44.4所示。所示。隐性状态隐性状态显性状态图4.4 4.4 根据根据ISO 11898 ISO 11898 的的额定额定总线电平平4.3CAN协议规范协议规范4.3.1基本术语基本术语4.3.2CAN的报文及结构的报文及结构4.3.3CAN的位仲裁技术的位仲裁技术4.3CAN协议规范协议规范 1.CAN 1.CAN规范中的对应规范中的对应ISO/OSIISO/OSI参考模型的网络层参考模型的网络层 CANCAN为串串行行通通讯协议，能能有有效效地地支支持持具具有有很很高高安安全全等等级的的分分布布实时控控制制。CANCAN的的应用用范范围很很广广，从从高高速速的的网网络到到低低价价位位的的多多路路接接线都都可可以以使使用用CANCAN。在在汽汽车电子子行行业里里，使使用用CANCAN连接接发动机机控控制制单元元、传感感器器、防防刹刹车系系统、等等等等，其其传输速速度度可可达达1Mbit/s1Mbit/s。同同时，可可以以将将CANCAN安安装装在在卡卡车本本体体的的电子子控控制制系系统里里，诸如如车灯灯组、电气气车窗窗等等等等，用用以以代代替替接接线配配线装置。装置。技技术规范的目的是范的目的是为了在任何两个了在任何两个CANCAN仪器之器之间建立兼容建立兼容性。可是，兼容性有不同的方面，比如性。可是，兼容性有不同的方面，比如电气特性和数据气特性和数据转换的解的解释。为了达到了达到设计透明度以及透明度以及实现灵活性，根据灵活性，根据ISO/OSIISO/OSI参考模型，参考模型，CAN 2.0CAN 2.0规范范细分分为以下不同的以下不同的层次：数据次：数据链路路层和物理和物理层(如如图4.54.5所示所示)。接收滤波数据数据链路路层逻辑链路控制子路控制子层(LLC)(LLC)超超载通知通知恢复管理恢复管理媒体媒体访问控制子控制子层（MACMAC）数据封装/拆装帧编码媒体访问管理错误检测出错标定应答串行化/解除串行化故障界定故障界定物理物理层 位位编码/解解码 位定位定时同步同步驱动器器/接收器特性接收器特性总线故障管理图图4.5 CAN4.5 CAN协议分层结构和功能协议分层结构和功能 在在以以前前版版本本的的CANCAN规范范中中，数数据据链路路层的的LLCLLC子子层和和MACMAC子子层的服的服务及功能分及功能分别被解被解释为“对象象层”和和“传输层”。逻辑链路控制子路控制子层(LLC)(LLC)的作用范的作用范围如下：如下：为远程数据程数据请求以及数据求以及数据传输提供服提供服务。确定由确定由实际要使用的要使用的LLCLLC子子层接收哪一个接收哪一个报文。文。为恢复管理和恢复管理和过载通知提供手段。通知提供手段。在在这里，定里，定义对象象处理理较为自由。自由。MACMAC子子层的作用主要的作用主要是是传送送规则，也就是控制，也就是控制帧结构、构、执行仲裁、行仲裁、错误检测、出、出错标定、故障界定。定、故障界定。总线上什么上什么时候开始候开始发送新送新报文及什么文及什么时候开始接收候开始接收报文，均在文，均在MACMAC子子层里确定。位定里确定。位定时的一些普的一些普通功能也可以看作是通功能也可以看作是MACMAC子子层的一部分。理所当然，的一部分。理所当然，MACMAC子子层的修改是受到限制的。的修改是受到限制的。物物理理层的的作作用用是是在在不不同同节点点之之间根根据据所所有有的的电气气属属性性进行行位位的的实际传输。同同一一网网络的的物物理理层对于于所所有有的的节点点当当然然是是相同的。尽管如此，在相同的。尽管如此，在选择物理物理层方面方面还是很自由的。是很自由的。这本技本技术规范的目的是定范的目的是定义数据数据链路路层中中MACMAC子子层和一小和一小部分部分LLCLLC子子层，以及定，以及定义CANCAN协议于周于周围各各层当中所当中所发挥的作的作用）。用）。2 2基本概念基本概念 CANCAN具有以下的属性：具有以下的属性：报文的文的优先先权 保保证延延迟时间 设置灵活置灵活 时间同步的多点接收同步的多点接收 系系统内数据的内数据的连贯性性 多主机多主机 错误检测和和错误标定定 只要只要总线一一处于空于空闲，就自，就自动将破坏的将破坏的报文重新文重新传输 将将节点的点的暂时性性错误和永久性和永久性错误区分开来，并且可以区分开来，并且可以自自动关关闭由由OSIOSI参考模型分参考模型分层CANCAN结构的构的错误的的节点。点。依据依据ISO/OSIISO/OSI参考模型的参考模型的层结构具有以下功能构具有以下功能:物理物理层定定义信号是如何信号是如何实际地地传输的，因此涉及到位的，因此涉及到位时间、位、位编码、同步的解、同步的解释。本技。本技术规范没有定范没有定义物理物理层的的驱动器器/接收器特性，以便允接收器特性，以便允许根据它根据它们的的应用，用，对发送媒体送媒体和信号和信号电平平进行行优化。化。MAC MAC 子子层是是CANCAN协议的核心。它把接收到的的核心。它把接收到的报文提供文提供给LLCLLC子子层，并接收来自，并接收来自LLCLLC子子层的的报文。文。MACMAC子子层负责报文文 分分帧、仲仲裁裁、应答答、错误检测和和标定定。MACMAC子子层也也被被称称作作故故障障界界定定的的管管理理实体体监管管。此此故故障障界界定定为自自检机机制制，以便把永久故障和短以便把永久故障和短时扰动区区别开来。开来。LLC LLC子子层涉及涉及报文文滤波、波、过载通知、以及恢复管理。通知、以及恢复管理。4.3.1基本术语基本术语 1 1报文报文 总线上上的的报文文以以不不同同的的固固定定报文文格格式式发送送，但但长度度受受限限。当当总线空空闲时任何任何连接的接的单元都可以开始元都可以开始发送新的送新的报文。文。2 2信息路由信息路由 在在CAN CAN 系系统里里，CAN CAN 的的节点点不不使使用用任任何何关关于于系系统配配置置的的报文文（比比如如，节点点地地址址）。这样不不用用依依赖应用用层以以及及任任何何节点点软件件和和硬硬件件的的改改变，就就可可以以在在CAN CAN 网网络中中直直接接添添加加节点点。提提高高系系统灵灵活活性性。报文文的的内内容容由由识别符符命命名名。识别符符不不指指出出报文文的的目目的的地地，但但解解释数数据据的的含含义。因因此此，网网络上上所所有有的的节点点可可以以通通过报文文滤波波确确定定是是否否应对该数数据据做做出出反反应。由由于于引引入入了了报文文滤波波的的概概念念，任任何何节点点都都可可以以接接收收报文文，并并与与此此同同时对此此报文文做做出出反反应。为确确保保报文文在在CAN CAN 网网络里里同同时被被所所有有的的节点点接接收收（或或同同时不不被被接接收收）。因因此此，系系统的的数数据据连贯性性是是通通过多多播播和和错误处理的原理理的原理实现的。的。3 3位速率位速率 不不同同的的系系统，CAN CAN 的的速速度度不不同同。在在一一个个给定定的的系系统里里，位位速率是唯一的，并且是固定的。速率是唯一的，并且是固定的。4 4优先权优先权 在在总线访问期期间，识别符定符定义一个静一个静态的的报文文优先先权。5 5远程数据请求远程数据请求 通通过发送送远程程帧，需需要要数数据据的的节点点可可以以请求求另另一一节点点发送送相相应的的数数据据帧。数数据据帧和和相相应的的远程程帧是是由由相相同同的的识别符符命命名的。名的。6 6仲裁仲裁 只要只要总线空空闲，任何，任何单元都可以开始元都可以开始发送送报文。具有文。具有较高高优先先权报文的文的单元可以元可以获得得总线访问权。如果。如果2 2个或个或2 2个以个以上的上的单元同元同时开始开始传送送报文，那么就会有文，那么就会有总线访问冲突。冲突。仲裁的仲裁的机制确保了机制确保了报文和文和时间均不均不损失。当具有相同失。当具有相同识别符的数据符的数据帧和和远程程帧同同时初始化初始化时，数据，数据帧优先于先于远程程帧。仲。仲裁期裁期间，每一个，每一个发送器都送器都对发送位的送位的电平与被平与被监控的控的总线电平平进行比行比较。如果。如果电平相同，平相同，则这个个单元可以元可以继续发送。如果送。如果发送的是一送的是一“隐性性”电平而平而监视的是一的是一“显性性”电平（平（见总线值），），那么那么单元就失去了仲裁，必元就失去了仲裁，必须退出退出发送状送状态。7 7错误检测错误检测 为了了获得得最最安安全全的的数数据据发送送，CAN CAN 的的每每一一个个节点点均均采采取取了了强有力的措施以便于有力的措施以便于错误检测、错误标定及定及错误自自检。要要进行行检测错误，必，必须采取以下措施：采取以下措施：监视（发送送器器对发送送位位的的电平平与与被被监控控的的总线电平平进行行比比较）循循环冗余冗余检查 位填充位填充 报文格式文格式检查 错误检测的的执行行错误检测的机制要具有以下的属性：的机制要具有以下的属性：检测到所有的全局到所有的全局错误 检测到到发送器所有的局部送器所有的局部错误 可以可以检测到到报文里多达文里多达5 5个任意分布的个任意分布的错误 检测到到报文里文里长度低于度低于1515（位）的突（位）的突发性性错误 检测到到报文里任一奇数个的文里任一奇数个的错误 错误标定和恢复定和恢复时间 任何任何检测到到错误的的节点会点会标志出志出损坏的坏的报文。此文。此报文会失文会失效并将自效并将自动地开始重新地开始重新传送。如果不再出送。如果不再出现错误的的话，从，从检测到到错误的的节点点会会标志志出出损坏坏的的报文文。此此报文文会会失失效效并并将将自自动地地开开始始重重新新传送送。如如果果不不再再出出现错误的的话，从从检测到到错误到到下下一一报文的文的传送开始送开始为止，恢复止，恢复时间最多最多为3131个位的个位的时间。8 8故障界定故障界定 CAN CAN 节点点能能够把把永永久久故故障障和和短短暂扰动区区别开开来来。故故障障的的节点会被关点会被关闭。9 9总线值总线值 总线有有二二个个互互补的的逻辑值：“显性性”或或“隐性性”。“显性性”位位和和“隐性性”位位同同时传送送时，总线的的结果果值为“显性性”。比比如如，在在总线的的“写写与与”执行行时，逻辑0 0代代表表“显性性”等等级，逻辑1 1代代表表“隐性性”等等级。1010应答应答 所所有有的的接接收收器器检查报文文的的连贯性性。对于于连贯的的报文文，接接收收器器应答，答，对于不于不连贯的的报文，接收器作出文，接收器作出标志。志。4.3.2CAN的报文及结构的报文及结构 在在总线上上的的任任意意节点点均均可可以以作作为发送送器器或或接接收收器器，那那么么我我们就就将将发出出报文文的的节点点叫叫发送送器器，该节点点在在总线空空闲或或丢失失仲仲裁裁前前始始终为发送送器器。如如果果一一个个节点点不不是是发送送器器，且且总线不不是是处于于空空闲状状态，则该节点点就就叫叫接接收收器器。报文文由由一一个个发送送器器发出，再由一个或多个接收器接收。出，再由一个或多个接收器接收。报文文传输由由4 4个不同个不同类型的型的帧表示和控制：表示和控制：数数据据帧：数数据据帧携携带数数据据从从发送送器器至至接接收收器器。总线上上传输的大多是的大多是这个个帧。远程程帧：由由总线单元元发出出，请求求发送送具具有有同同一一识别符符的的数数据据帧。数据。数据帧（或（