CAN总线光纤中继器分析

1、1CAN总线光纤中继器汇报人：沈拓时间：2016.9.252目录CONTENT1引言2研究现状与发展前景4CAN总线中继器介绍5总结3CAN总线技术介绍31引言4 近年来,随着信息技术的发展以及控制、计算机、通信、网络技术相互渗透,信息交换正以前所未有的速度广泛地应用到各个领域,传统的RS232等通信标准己经远远不能满足工业现场的通信需要,而现场总线以其开放性、数字化、多点通信以及造价低廉的特性,越来越受到用户的青睐。CAN就是最具代表性的一种总线,它是由德国BOSch公司80年代初为解决汽车中众多数据交换而开发的一种串行数据通信协议。 CAN是一种采用无破坏性位竞争机制实现串行多主通信的现场

2、总线。由于具有抗干扰能力强、报文短、实时性好和组网成本低等优点， CAN 总线被广泛地应用于环境恶劣、电磁辐射大、对可靠性要求高的工业自动化现场和汽车部件控制等领域。52 研究现状与发展前景62.1 CAN2.1 CAN总线的研究现状总线的研究现状国外发展现状：u在欧美，CAN总线技术发展应用已十分成熟，大部分汽车制造商，如宝马、保时捷、劳斯莱斯、大众、沃尔沃、雷诺等都已经使用了CAN总线u支持CAN协议的有英特尔、摩托罗拉、惠普、西门子、MICROCHIP、NEC等著名公司国内发展现状：u在国内，关于CAN总线应用的成果大量发表在各类相关的科技期刊上,应用领域非常广泛:如楼宇监控和电梯的控制

3、系统、机器人的分布式控制系统、船舰上的控制系统和医疗仪器主监控系统、轴承检测系统、矿井监控系统、停车场灯光监控系统、船舶航行数据记录仪(VDR)等等诸多领域72.2 2.2 CANCAN总线总线的的发展前景发展前景 CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,其应用领域广泛是因其具有如下特点:(1) 可以多主方式工作;(2) 通信方式灵活;(3) 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;(4) 采用非破坏性总线仲裁技;(5）系统可扩充性能好。 (6）CAN是被最早制定为国际标准的现场总线。 基于以上特点，CAN总线技术必然会随着现场总线时代的到来以及我国不断

4、的经济改革以及市场开放的巨大需求而得到更加深入的理解和更为广泛的应用,将使控制系统的体系结构以及自动化技术发生一次根本性变革。83CAN总线技术介绍93.1 CAN3.1 CAN总线简介总线简介 CAN总线，全称Controller Area Network，中文为控制器局域网，是现今汽车行业里被广泛应用的一种现场总线技术。CAN总线技术是由德国Bosch公司开发的，最终发布了正式的 CAN总线国际标准ISO11898。CAN总线是一种串行通讯，它将各控制节点以某种结构连接在一起，实现通讯和数据共享，是一种分布式多主结构的总线。 103.2 CAN3.2 CAN总线的系统构成总线的系统构成 C

5、AN总线是一种串行多主站控制器局域网总线，也是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线主要由四部分组成：导线、CAN控制器、CAN 收发器和终端电阻。其中导线为双绞线，其介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。CAN控制器主要对收发的信号进行解析翻译。CAN收发器用于接收和发送信息到总线网络上。终端电阻是防止CAN信号发生反射，导致通讯故障。CAN总线的系统组成、拓扑结构和传输介质相关介绍如下。113.2.1 CAN3.2.1 CAN总线的系统组成总线的系统组成 其中使用微处理器负责CAN总线数据处理，完成收发启动等特定功能。CAN控制器扮演实现网络协议的角色，它提供了微处理器的物

6、理线路接口，进行数据发送和接收。CAN总线驱动器提供了CAN控制器和物理总线之间的接口，实现对CAN总线的差动发送和接收功能，是影响系统网络性能的关键因素之一。CAN总线系统构成示意图：123.2.2 CAN3.2.2 CAN总线拓扑结构总线拓扑结构 CAN总线是一种分布式的控制总线，总线上每一个节点一般来说都比较简单，通过CAN总线将各节点连接只需要较少的线缆，可靠性也较高。 在总线拓扑结构中，传输介质是一条总线，工作站通过相应硬件接口接到总线上。一个站发送数据，所有其他站都能接收。树形拓扑是总线拓扑的扩展形式，传输介质是不封闭的分支电缆。因为所有节点共享一条传输链路，一次只允许一个站发送信

7、息，需有某种存取控制方式，确定下一个可以发送的站。信息也是按分组发送，达到目的站后，经过地址识别，将信息复制下来。总线拓扑有很多方面的优点，如：（1）总线结构所需要的电缆数量少。（2）总线结构简单，又是无源工作，有较高的可靠性。（3）易于扩充，增加或减少用户比较方便。13CAN总线网络结构图：143.2.3 CAN3.2.3 CAN总线传输介质总线传输介质 CAN总线可使用多种传输介质，常用的如双绞线、同轴电缆、光纤等，同一段CAN总线网络要采用相同的传输介质。基于双绞线的CAN总线分布系统已得到广泛应用。其主要特点如下：u双绞线采用抗干扰的差分信号传输方式；u技术上易实现、造价低；u对环境电

8、磁辐射有一定的抑制能力；u使用非屏蔽双绞线时，只需要2根线缆作为差分信号线传输；u使用屏蔽双绞线时，除需要两根差分信号线连接以外，还要注意在同一网络段中的屏蔽层单点接地问题。153.3 CAN3.3 CAN总线的性能特点总线的性能特点 CAN 属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，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。其特点可概括为： (1) CAN的直接通信距离最远可达 l0km；通信速率最高可达1Mbps； (2) CAN上的节点数最多可达110个。 (3) CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，降低了数据出错率，保证了数

9、据通信的可靠性。 (4) 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。 (5) CAN的通信介质可使用双绞线作为传输介质，价格低廉，可靠性强。163.4 CAN3.4 CAN总线分层结构总线分层结构CAN 总线的分层结构与 OSI模型的关系： 数据链路层可以分为两层,逻辑链路控制层LLC和媒体访问控制层MAC。LLC层主要为数据发送和远程数据请求来服务，确认LLC层报文实际是否被接收，并提供信息给恢复管理和超载通知。在定义目标处理时，存在很多灵活性。MAC子层定义了发送规则，及实现控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定等功能。数据链路层的主要

10、功能是将物理层的物理信号转化成有含义的信息，提供一些数据传输的控制流程。 物理层是各节点之间实际发送的物理信号的传输层，它包含传输方式、时序、编译、重同步等过程。173.5 CAN3.5 CAN协议标准协议标准CAN总线标准应用最广泛的是ISO11898，一共分为五个部分。 第一部分ISO11898-1：描述CAN总线数据链路层和物理层信号传输的规范内容。 第二部分ISO11898-2：描述高速CAN总线的物理层的一些规范和接口。包括高速CAN的系统电气特性、网络拓扑要求、终端电阻、总线错误等描述。 第三部分ISO11898-3：描述速率在40kb/s至125kb/s之间的低速CAN总线数字信

11、息交换的特性。规范了一些关键的物理层参数、拓扑结构、终端电阻、时间延迟等要求。当使用低速 CAN 做开发时要参考此标准。 第四部分ISO11898-4：描述各电控节点之间在CAN总线通讯中时间触发的数据交互的一些特性。 第五部分ISO11898-5：描述在低电模式下的高速CAN的物理特性。183.6 CAN3.6 CAN报文传送和帧结构报文传送和帧结构 报文中的位流按照非归零码（报文中的位流按照非归零码（NRZNRZ）方法编码。方法编码。 报文传送由报文传送由4 4种不同类型的帧表示和控制：种不同类型的帧表示和控制：q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；q远程帧通过

12、总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数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；据帧；q出错帧由检测出总线错误的任何单元发送；出错帧由检测出总线错误的任何单元发送；q超载帧用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟。超载帧用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟。一、数据帧 数据帧由数据帧由7 7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、数据场、CRCCRC场、应答场和帧尾。数据场长度可为场、应答场和帧尾。数据场长度可为0 0。 在在CAN 2.0BCAN 2.0B中存在两种不同的帧格式（标准格式和扩展格式）。中存在两种不同的

13、帧格式（标准格式和扩展格式）。二、远程帧 作为接收器的节点可以通过向相应的数据源节点发送一个远程帧来激活该作为接收器的节点可以通过向相应的数据源节点发送一个远程帧来激活该源节点，让它把该源节点的数据发送给接收器。远程帧由源节点，让它把该源节点的数据发送给接收器。远程帧由6个不同位场个不同位场组成组成:帧帧起始场、仲裁场、控制场、起始场、仲裁场、控制场、CRC场、应答场场、应答场(ACK)、帧结束场。、帧结束场。三、错误帧 错误错误帧由错误标志叠加场和错误帧界定符组成帧由错误标志叠加场和错误帧界定符组成 错误标志具有两种形式：一种是活动出错标志；一种是认可出错标志。活动出错标志由6个连续的显位组

14、成；而认可出错标志由6个连续的隐位组成，它可被来自其他节点的显位改写。 出错界定符包括8个隐位。四、超载帧 超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。 超载标志由6个显位组成。 超载界定符由8个隐位组成。 243.7 CAN3.7 CAN总线的优点总线的优点CAN 总线作为一种现场总线，具有如下优点：l 通讯实时性强l 抗干扰能力强l 可靠性强l 具有错误处理功能l 是应用最广泛的现场总线254 CAN总线中继器介绍26 CAN中继器是CAN总线系统的组网的关键设备之一。中继器可以将同一层的两段网络进行互联，也可以实现上、下层的不同总线进行互联，起到网

15、桥和网关作用。在大中型的CAN总线系统中经常会使用到中继器，尤其是那些需要远距离甚至超远距离数据传输的工程项目。274.1 CAN4.1 CAN总线中继器的功能总线中继器的功能CAN总线中继器的功能分成线路中继和网络中继两种。线路中继线路中继CAN总线中继器只是将通过的电信号强度增强，一般不改变本来信号的其他所有特性（一些中继器过滤噪声），即所谓的“哑设备”，具有如下特征： 中继器延伸数据传输距离是通过信号再生的方式； 中继器只用于传输协议的最底层，即物理层，高层协议不使用中继； 中继器所连接的两条线路必须使用同样的介质访问方式； 与中继器相连的两条线路成为同一网络的一部分，必须具有相同的地址

16、； 中继器两条线的波特率和格式可以不一致。 28网络网络中继中继CAN总线中继器可以用于连接两条不同的总线，除了增加通信距离外，还能增加CAN总线所允许的节点挂接数，并且使得CAN总线的网络得以扩展，相当于网关的功能。与线路中继功能所不同的是，中继器两端的线路可以是不同层次的同一种网络协议。在这些情况下，中继器其实承担的是网间连接器和协议转换器的作用。29本作品版权归上海锐普广告有限公司PPT研究院作者所有购买和下载者只是获得了使用授权，并不能获得著作权任单位和个人不得以任何形式销售、传播本作品转载请注明出处，保留本版权页，请勿以身试法4.2 CAN4.2 CAN总线中继器总体设计思路总线中继

17、器总体设计思路中继器的整体设计可以采用两种方案：中继器的整体设计可以采用两种方案：第一种方案第一种方案：围绕单个MCU设计中继器两段线路的收发器电路，其优点是电路简单，容易控制成本，且单个MCU中继器一般采用多任务实时操作系统从而可使数据流的控制更加流畅，但是在数据交换量较大的应用中容易给MCU带来巨大的负担，特别是在进行多主传输的情况下，甚至可能导致系统的不稳定，使得数据延迟时间加大。第二种方案：第二种方案：两段线路各自设置一个MCU，并在两个MCU周围各自设计相应的接收器电路，用高速的现场总线来进行两个核心处理器的数据交换。其优点在于易于控制数据传输速率，在大数据量的情况下可以进行快速处理

18、，从而使系统的可靠性加强。另外，这种设计方法使得不同种类总线间的数据交换变得非常简单，因为两个MCU的数据格式相同，一个MCU也不用理会另一个的接收器类型。当然，因为涉及两个MCU，这种中继器的设计成本也会大一些。4.3 4.3 中继器硬件整体设计要求中继器硬件整体设计要求由于中继器需要拥有很好的可靠性，所以对其MCU的要求也相对较高，必须具备快速的速度以减少数据在MCU中的滞留时间；必须拥有较大的存储空间，从而在大数据量传输时进行数据的缓冲；必须拥有长期无故障运行的可靠性，从而适合广泛的工程应用；必须具备较丰富的外设接口，满足CAN总线甚至扩展到其他现场总线中的使用。4.4 CAN4.4 CAN总线中继器外围芯片介绍总线中继器外围芯片介绍1 1、800mA800mA低回动电压转换芯片低回动电压转换芯片AMS1117AMS1117（3