工业通信与网络技术(XXXX)11(1).pptx

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1、工业通信与网络技术（11）2015（春）第五章第五章 CAN总线总线1 概述概述uCAN（Controller Area Network，操操作作器器局局域域网网）是是20世世纪纪80年年代代（1983）德德国国Bosch（博博世世）公公司司为为解解决决众众多多的的测测量量操操作作部部件件之之间间的的数数据交换问题而开辟的一种串行数据通信总线。据交换问题而开辟的一种串行数据通信总线。uCAN已成为国际标准已成为国际标准ISO11898和和ISO11519。CAN的开展历程：的开展历程：u以以CiA推出的推出的CAN Specification 2.0为底层为底层的高层协议有：的高层协议有：CA

2、N KingdomDeviceNetCANopenSAE J1939SDSuCAN在在汽汽车车电电子子系系统统中中得得到到了了广广泛泛应应用用，已已成成为为世世界界汽汽车车制制造造业业的的主主体体行行业业标标准准，代代表表着着汽汽车车电电子子操操作作网网络络的的主主流流开开展趋势。展趋势。u 世世界界上上一一些些著著名名的的汽汽车车制制造造厂厂商商都都已已采采用用CAN总总线线来来实实现现汽汽车车内内部部操操作作系系统统与与各各检检测测及及执执行行机机构构间间的的数数据据通通信信。如如BENZ（奔奔驰驰）、BMW（宝宝马马）、PORSCHE（保保时时捷捷）、ROLIS-ROYCE（劳劳斯斯莱莱

3、斯斯）、JAGUAR（美美洲洲豹豹）和和MAZDA（马自达）等都。（马自达）等都。uCAN与与其其他他现现场场总总线线相相比比，具具有有突突出出的的可可靠靠性、实时性和灵活性，其技术特点如下：性、实时性和灵活性，其技术特点如下：(1)CAN从从本本质质上上讲讲是是一一种种多多主主或或对对等等网网络络，网络上任一节点均可主动发送网络上任一节点均可主动发送报文报文。(2)废废除除了了传传统统的的站站地地址址编编码码，而而代代之之以以对对通通信信数数据据进进行行编编码码；通通过过报报文文过过滤滤，可可实实现现点点对对点点、多多点点播播送送（传传送送）、播播送送等等几几种种数数据据传送方式。传送方式。

4、(3)采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低。采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低。(4)具具有有多多种种检检错错措措施施及及相相应应的的处处理理功功能能，检检错错效效果果极极好好，处处理理功功能能很很强强，保保证证了了通通信信的的高高可可靠靠性性。位位错错误误和和位位填填充充错错误误检检测测、CRC校校验验、报报文文格格式式检检查和应答错误检测及相应的错误处理。查和应答错误检测及相应的错误处理。(5)通通信信介介质质（媒媒体体）可可为为双双绞绞线线、同同轴轴电电缆缆或或光光纤，选择灵活。纤，选择灵活。(6)总总线线长长度度可可达达10km（速速率率为为5kbps及及其其以以下下）；网网络络

5、速速度度可可达达1Mbps（总总线线长长度度为为40m及其以下）。及其以下）。(7)网网络络上上的的节节点点数数主主要要取取决决于于总总线线驱驱动动电电路路，目目前前可可达达110个个；标标准准格格式式的的报报文文标标识识符符可可达达2032个个，而而扩扩展展格格式式的的报报文文标标识识符符的的个个数几乎不受限制。数几乎不受限制。(8)通通过过报报文文标标识识符符来来定定义义节节点点报报文文的的优优先先级级。对对于于实实时时性性要要求求不不同同的的节节点点报报文文，可可定定义义不不同同级级别别的的优优先先级级，从从而而保保证证高高优优先先级级的的节节点点报报文文得得到到优优先先发发送。送。(9

6、)采采用用非非破破坏坏性性逐逐位位仲仲裁裁机机制制来来解解决决总总线线访访问问冲冲突突。通通过过采采用用这这种种机机制制，即即使使在在网网络络负负载载很很重重时时，也不会出现网络瘫痪现象。也不会出现网络瘫痪现象。(10)发发生生严严峻峻错错误误的的节节点点具具有有自自动动关关闭闭输输出出的的功功能能，以使总线上其他节点的通信能够继续进行。以使总线上其他节点的通信能够继续进行。uCAN最最初初虽虽然然是是为为汽汽车车的的监监测测、操操作作系系统统而而设设计计的的，但但由由于于它它在在性性能能、可可靠靠性性等等方方面面的的突突出出优优势势，现现已已广广泛泛应应用用于于航航天天、电电力力、石石化化、

7、冶冶金金、纺纺织织、造造纸纸、仓仓储储等等行行业业。如如在在自自动动化化仪仪表表、智智能能传传感感器器、数数控控机机床床、医医疗疗器器械械、机机器器人人、楼楼宇宇自自动动化化装装置置、火火车车、轮轮船船等等元元件件、设设备备、设设施施中中，CAN总总线线都都得得到到了了良良好好的应用。的应用。2 CAN 节点的分层结构节点的分层结构3 CAN物理层物理层u3.1 CAN总线典型电平总线典型电平显性电平（显性电平（Dominant）：逻辑）：逻辑“0”隐性电平（隐性电平（Recessive）：逻辑）：逻辑“1”ISO 11898中规定：中规定：在隐性状态下：在隐性状态下：VCAN-H=VCAN-

8、L=2.5V，Vdiff=0V在在 显显 性性 状状 态态 下下：VCAN-H=3.5V，VCAN-L=1.5V，Vdiff=2V3.2 CAN接插件管脚分配接插件管脚分配3.3 CAN总线终端电阻总线终端电阻u120 10%，ISO 118983.4 CAN总线使用的编码总线使用的编码uNRZ编编码码（非非归归零零编编码码），采采用用位位填填充充规规则则编编码码（无无论论何何时时，当当发发送送器器在在将将被被发发送送的的位位流流中中检检测测到到数数值值相相同同的的5个个连连续续位位时时，会会自自动动地地在在实实际际的发送位流中插入一个补码位）。的发送位流中插入一个补码位）。3.5 CAN总线

9、的位速率总线的位速率u5k1M（bps）3.6 CAN总线长度总线长度u40m10kmuCAN总线位速率与总线长度的关系：总线位速率与总线长度的关系：主要影响因素：主要影响因素：u（1）CAN总总线线要要求求发发送送器器在在发发送送每每一一位位的的同同时时，都都要要监监视视总总线线电电平平，用用以以确确定定是是否否发发送送器器竞竞争争发发送送权权失失败败，是是否否总总线线发发生生了位错误，是否获得了应答；了位错误，是否获得了应答；u（2）为为实实现现（1）中中的的目目的的，要要考考虑虑传传播播延延时时的的影影响响。铜铜导导线线中中，电电信信号号的的传传播播速度是光速的速度是光速的2/3；u（3

10、）还还要要考考虑虑发发送送器器延延时时、接接收收器器延延时时，以及可靠采样的要求。以及可靠采样的要求。3.7 CAN总线的位定时总线的位定时同同步步段段用用于于使使总总线线上上的的各各个个节节点点同同步。期望有一个跳变沿位于此段内。步。期望有一个跳变沿位于此段内。传传播播段段用用于于补补偿偿网网络络内内的的物物理理延延时时。它它是是信信号号在在总总线线上上传传播播时时间间的的两两倍倍与与输输入入比较器延时和输出驱动器延时之和。比较器延时和输出驱动器延时之和。相相位位缓缓冲冲段段1和和相相位位缓缓冲冲段段2用用于于补补偿偿沿沿的的相相位位误误差差，使使总总线线上上的的各各个个节节点点同同步步。通

11、通过过重同步，这重同步，这2个时间段可被延长或缩短。个时间段可被延长或缩短。采采样样点点是是这这样样一一个个时时刻刻，在在此此时时刻刻上上，总总线线电电平平被被读读，并并被被理理解解为为其其自自身身位位的的数数值值。它位于相位缓冲段它位于相位缓冲段1的终点。的终点。信信息息处处理理时时间间是是由由采采样样点点开开始始、为为计计算算后续位电平而保存的时间段。后续位电平而保存的时间段。时时间间份份额额是是由由振振荡荡器器周周期期派派生生出出的的一一个个固定时间单元。固定时间单元。u同步段：同步段：1个时间份额；个时间份额；u传播段：传播段：18个时间份额；个时间份额；u相位缓冲段相位缓冲段1：18

12、个时间份额；个时间份额；u相相位位缓缓冲冲段段2：相相位位缓缓冲冲段段1和和信信息息处处理理时间的最大值；时间的最大值；u信息处理时间：信息处理时间：2个时间份额；个时间份额；u时间份额总数：时间份额总数：825。u由由于于各各个个CAN节节点点所所使使用用的的振振荡荡器器频频率率不不可可能能都都是是精精确确的的理理想想值值，一一般般都都与与其其存存在在着着一一定定的的误误差差，使使得得发发送送器器与与接接收收器器各各自自对对位位时时间间的的理理解解实实际际上上存存在在差差异异。又又由由于于CAN总总线线使使用用了了NRZ编编码码，假假设设没没有有一一定定的的位位定定时时机机制制，随随着着累累

13、积积误误差差的的增增大大，终终归归会会使使接接收收器错误地采样到总线上的其它位上。器错误地采样到总线上的其它位上。u硬硬同同步步与与重重同同步步就就是是用用于于准准确确位位定定时时的的保保障机制。障机制。3.8 CAN总线的位同步总线的位同步u硬硬同同步步：只只发发生生在在帧帧起起始始的的位位置置。硬硬同同步步后后，内内部部位位时时间间从从同同步步段段重重新新开开始始。因因而而，硬硬同同步步强强迫迫引引起起硬硬同同步步的的沿沿处处于于重重新新开开始始的的位位时时间间同同步段之内。步段之内。u重重同同步步：发发生生在在帧帧内内。通通过过在在每每个个时时间间段段采采样样总总线线，并并与与前前一一个

14、个采采样样点点处处的的总总线线电电平平做做比比较较，可可以以检检测测到到跳跳变变沿沿。如如果果跳跳变变沿沿发发生生在在同同步步段段内内，则则认认为为接接收收节节点点与与发发送送节节点点是是同同步步的的；否则说明二者不同步，需要进行重同步。否则说明二者不同步，需要进行重同步。u重重同同步步的的目目的的是是通通过过延延长长相相位位缓缓冲冲段段1或或缩缩减减相相位位缓缓冲冲段段2来来操操作作跳跳变变沿沿和和采采样样点点之之间间的的距距离离，以以补补偿偿振振荡荡器器误误差差。CAN2.0标标准准规规定定：只只有有隐隐性性电电平平到到显显性性电电平平的的跳跳变变沿沿才才用用于于重重同同步。步。u沿沿相相

15、位位误误差差e：由由沿沿相相对对于于当当前前同同步步段段的的位位置置给给定定，计计为为时时间间份份额额的的整整数数倍倍。如如果果沿沿出出现现在在当当前前同同步步段段之之前前，e被被计计为为负负，如如果果沿沿出出现现在当前同步段之后，在当前同步段之后，e被计为正。被计为正。u重重同同步步跳跳转转宽宽度度（SJW）用用于于设设定定相相位位缓缓冲冲段段延延长长或或缩缩短短的的上上限限，应应被被编编程程为为14个个时时间间份额，并且不能长于任何一个相位缓冲段长度。份额，并且不能长于任何一个相位缓冲段长度。重同步规则：重同步规则：u当当e0时时，相相位位缓缓冲冲段段1要要延延长长。如如果果eSJW，相相

16、位位缓缓冲冲段段1要要延延长长e，否否则则延延长长SJW；u当当e0时时，相相位位缓缓冲冲段段2要要缩缩减减。如如果果eSJW，相相位位缓缓冲冲段段2要要缩缩减减e，否否则则缩缩减减SJW；u当当eSJW，重重同同步步不不能能充充分分补补偿偿e，误差（，误差（e-SJW）仍然存在。）仍然存在。同步规则同步规则(Synchronization Rules)：在一个位时间内仅允许一种同步。在一个位时间内仅允许一种同步。只只要要在在先先前前采采样样点点上上检检测测到到的的数数值值与与一一个个沿沿过过后后立立即即得得到到的的总总线线数数值值不不同同，则则该该沿沿将将被被用用于于同同步。步。在在总总线线

17、空空闲闲期期间间，无无论论何何时时当当存存在在一一个个“隐隐性性”至至“显性显性”的跳变沿，则执行一次硬同步。的跳变沿，则执行一次硬同步。所所有有履履行行规规则则和和的的其其它它“隐隐性性”至至“显显性性”的跳变沿都将被用于重同步。的跳变沿都将被用于重同步。4 报文传送及其帧类型报文传送及其帧类型u接收器接收器/发送器发送器发出一个报文的单元称为该报文的发送器。发出一个报文的单元称为该报文的发送器。假假设设一一个个单单元元不不是是某某个个报报文文的的发发送送器器，并并且且总总线线不不处处于于空空闲闲状状态态，则则称称该该单单元元为为该该报文的接收器。报文的接收器。u报文的有效性报文的有效性对对

18、于于发发送送器器而而言言，如如果果直直到到“帧帧结结束束”终终结结一一直未出错，则报文有效。直未出错，则报文有效。对对于于接接收收器器而而言言，如如果果直直到到最最后后（除除“帧帧结结束束”的那一位）一直未出错，则报文有效。的那一位）一直未出错，则报文有效。u帧类型帧类型数据帧携带数据由发送器至接收器；数据帧携带数据由发送器至接收器；远远程程帧帧通通过过总总线线单单元元发发送送，以以请请求求发发送送具具有有相同标识符的数据帧；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；错误帧由检测到总线错误的任何单元发送；超超载载帧帧用用于于提提供供当当前前的的和和后后续续的的数数据据帧帧或或远

19、远程帧之间的附加延迟。程帧之间的附加延迟。u数据帧由数据帧由7个不同的位场个不同的位场(Bit Frame)组成：组成：帧起始帧起始(Start of Frame)仲裁场仲裁场(Arbitration Field)操作场操作场(Control Field)数据场数据场(Data Field)CRC场场(CRC Field)应答场应答场(ACK Field)帧结束帧结束(End of Field)数据帧数据帧(Data Frame)帧起始帧起始(SOFStart Of Frame)标标志志数数据据帧帧和和远远程程帧帧的的起起始始，它它仅仅由由一一个个“显显性性”位构成。位构成。仲裁场仲裁场 由标

20、识符和远程发送请求（由标识符和远程发送请求（RTR）位组成。）位组成。标标识识符符(Identifier)的的长长度度为为11位位。这这些些位位以以ID-10至至ID-0的的顺顺序序发发送送，最最低低位位为为ID-0，其其中中最高最高7位（位（ID-10 ID-4）必须不是全）必须不是全“隐性隐性”。RTR位位（Remote Transmission Request Bit）在在数数据据帧帧中中，必必须须是是“显显性性”的的，而而在在远远程程帧帧中，中，RTR位必须是位必须是“隐性隐性”的。的。操作场操作场 由由6位组成，包括两个用于将来扩展的保存位和位组成，包括两个用于将来扩展的保存位和4位

21、数据长度码。位数据长度码。表表 数据长度码中数据字节数目编码数据长度码中数据字节数目编码 数据场数据场 由由数数据据帧帧中中被被发发送送的的数数据据组组成成，它它可可包包括括0至至8个个字字节节，每每个个字字节节包包括括8位位，其其中中首首先先发发送最高有效位。送最高有效位。CRC场场 包括包括CRC序列、序列、CRC界定符。界定符。参参加加CRC校校验验的的位位场场包包括括帧帧起起始始、仲仲裁裁场场、操操作作场场、数据场（假假设存在）在内的无填充位流。数据场（假假设存在）在内的无填充位流。CRC序序列列后后随随CRC界界定定符符，它它只只包包括括一一个个“隐隐性性”位。位。应答场应答场 为两

22、位长度，包括应答间隙和应答界定符。为两位长度，包括应答间隙和应答界定符。u在在应应答答场场中中发发送送站站送送出出两两个个“隐隐性性”位位。一一个个正正确确地地接接收收到到有有效效报报文文的的接接收收器器，在在应应答答间间隙隙期期间间，通通过过传传送送一一个个“显显性性”位位将将此此信信息息报报告告给给发发送送器器（接接收收器器发发送送“应应答答”）。所所有有接接收收到到匹匹配配CRC序序列列的的站站，在在应应答答间间隙隙期期间间通通过过把把“显显性性”位位写写入入发发送送器器的的“隐隐性性”位位来来报报告告此信息。此信息。u应应答答界界定定符符是是应应答答场场的的第第二二位位，并并且且必必须须是是“隐隐性性”位位。因因此此，应应答答间间隙隙被被两两个个“隐隐性性”位位（CRC界界定定符符和和应答界定符）包围。应答界定符）包围。帧结束帧结束 每每个个数数据据帧帧和和远远程程帧帧均均是是由由7个个“隐隐性性”位位组成的标志序列界定的。组成的标志序列界定的。谢谢观看/欢送下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH