现场总线工业控制网络技术-控制器局域网CAN

1、2022/7/29现场总线工业控制网络技术控制器局域网CAN2022/7/292控制器局域网CAN学习目标1、掌握CAN的主要特点2、了解CAN2.0规范的组成3、了解CAN2.0B的分层结构4、掌握CAN的相关基本概念5、掌握CAN的帧类型及其组成6、掌握CAN的报文确认与编码7、掌握CAN的错误处理8、了解CAN的故障界定9、掌握CAN的位定时与同步10、了解CAN组网带有中央控制单元的车带有三个中央控制单元的车带有三个中央控制单元和总线系统的车带有三个中央控制单元的CAN驱动网络车用网络发展原因电子技术发展-线束增加线控系统（X-BY-WIRE）计算机网络的广泛应用智能交通系统的应用汽车

2、发展带来的问题（1）汽车电子技术的发展汽车上电子装置越来越多汽车的整体布置空间缩小 （2）传统电器设备多为点到点通信导致了庞大的线束 （3）大量的连接器导致可靠性降低。粗大的线束与汽车中有限的可用空间之间的矛盾越来越尖锐，电缆的体积、可靠性和重量成为越来越突出的问题，而且也成为汽车轻量化和进一步电子化的最大障碍，汽车的制造和安装也变得非常困难。（4）存在冗余的传感器。Vo l v o 汽车线束增长的情况 车用网络：通过总线将汽车上的各种电子装置与设备连成一个网络，实现相互之间的信息共享，既减少了线束，又可更好地控制和协调汽车的各个系统，使汽车性能达到最佳。汽车网络化的优点 布线简单，设计简化，

3、节约铜材，降低成本。可靠性提高，可维护性大为提高 实现信息共享，提高汽车性能满足现代汽车电子设备种类功能越来越多的要求 总之，使用汽车网络不仅可以减少线束，而且能够提高各控制系统的运行可靠性，减少冗余的传感器及相应的软硬件配置，实现各子系统之间的资源共享，便于集中实现各子系统的在线故障诊断。 Canbus的发展历史大众公司首次在97年PASSAT的舒适系统上采用了传送速率为62.5Kbit/m的Canbus。98年在PASSAT和GOLF的驱动系统上增加了Canbus，传送速率为500Kbit/m。2000年，大众公司在PASSAT和GOLF采用了带有网关的第二代Canbus。Canbus的发

4、展历史2001年，大众公司提高了Canbus的设计标准，将舒适系统Canbus提高到100Kbit/m, 驱动系统提高到500Kbit/m。2002年，大众集团在新PQ24平台上使用带有车载网络控制单元的第三代Canbus。2003年，大众集团在新PQ35平台上使用五重结构的Canbus系统，并且出现了单线的LIN-BUS。20世纪80年代，Bosch的工程人员开始研究用于汽车的串行总线系统，因为当时还没有一个网络协议能完全满足汽车工程的要求。参加研究的还有Mercedes-Benz公司、Intel公司，还有德国两所大学的教授。 1986年， Bosch在SAE（汽车工程人员协会）大会上提出了

5、CAN 1987年，INTEL就推出了第一片CAN控制芯片82526；随后Philips半导体推出了82C200。 1993年，CAN的国际标准ISO11898公布从此CAN 协议被广泛的用于各类自动化控制领域。 CAN技术的发展1992年，CIA（CAN in Automation）用户组织成立，之后制定了第一个CAN应用层“CAL”。 1994年开始有了国际CAN学术年会（ICC）。 1994年美国汽车工程师协会以CAN为基础制定了SAEJ1939标准，用于卡车和巴士控制和通信网络。 到今天，几乎每一辆欧洲生产的轿车上都有CAN；高级客车上有两套CAN，通过网关互联；1999年一年就有近6

6、千万个CAN控制器投入使用；2000年销售1亿多CAN的芯片；2001年用在汽车上的CAN节点数目超过1亿个 。 但是轿车上基于CAN的控制网络至今仍是各大公司自成系统，没有一个统一标准。 基于CAN的应用层协议应用较通用的有两种：DeviceNet（适合于工厂底层自动化） 和 CANopen（适合于机械控制的嵌入式应用）。 任何组织或个人都可以从DeviceNet供货商协会（ODVA）获得DeviceNet规范。购买者将得到无限制的、真正免费的开发DeviceNet产品的授权。 DeviceNet自2002年被确立为中国国家标准以来，已在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山等

7、各个行业得到成功应用，其低成本和高可靠性已经得到广泛认同。基于CAN总线的汽车电器网络结构 目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN： 一条用于驱动系统的高速CAN，速率达到500kb/s。主要面向实时性要求较高的控制单元，如发动机、电动机等 另一条用于车身系统的低速CAN，速率是100kb/s。主要是针对车身控制的，如车灯、车门、车窗等信号的采集以及反馈。其特征是信号多但实时性要求低，因此实现成本要求低。 2022/7/2923控制器局域网CAN概述控制器局域网，CAN（Controller Area Network）1）德国BOSCH公司推出，汽车总线，过程控制、机械制造、 机器人和楼宇

8、自动化，军用车辆总线2）高性能、高可靠、易开发、低成本的现场总线3）应用广泛，目前国内的主流现场总线之一2022/7/2924控制器局域网CANCAN的主要特性1）多主工作方式：各节点均可主动发起传输，依据报文优先权进行总线访问控制2）非破坏性总线仲裁技术：硬件无损（开漏），软件无损（高优先级报文不受影响，实时性）3）接收过滤器功能：点对点、点对多点、广播传输4）短帧结构：8字节，公平、实时性强、工业应用2022/7/2925控制器局域网CANCAN的主要特性5）高可靠：短帧冲突概率小；每帧均有位填充、CRC等检错措施，出错率低；出错帧可自动重发6）节点故障隔离：节点严重错误自动关闭，脱离总线

9、7）支持网络节点多：节点数主要取决于总线驱动器；报文标识符（CAN2.0A 11位，CAN2.0B 29位）8）远程数据请求：特有的“远程帧”用于数据请求2022/7/2926控制器局域网CANCAN2.0规范1、概述1991年9月，德国BOSCH公司发布了CAN2.0规范CAN2.0A：兼容CAN1.2，标准帧（11位标识符）CAN2.0B：包含CAN2.0A，标准帧，扩展帧（29位标识符）2022/7/2927控制器局域网CANCAN2.0规范1、概述CAN技术规范定义了数据链路层和物理层的位编码、位解码、位定时等，未定义物理层的驱动器、接收器特性，保证了物理层实现的灵活性；同一网络内所有

10、节点必须具有相同的物理层。2022/7/2928控制器局域网CANCAN2.0规范2、CAN2.0B的分层结构2022/7/2929控制器局域网CANCAN的基本概念3、CAN的基本概念1）报文：数据链路层的帧，长度可变但有限。 标准帧格式：44108位 扩展帧格式：64128位2022/7/2930控制器局域网CANCAN的基本概念3、CAN的基本概念2）信息路由（报文路由）：CAN节点通过报文标识符寻址。（1）系统灵活：CAN节点无需软硬件改变即可加入网络；（2）报文路由：报文用标识符区分，网络节点通过标识符过 滤确定是否采用某报文；（3）多点传送：多个节点可通过报文过滤同时采用某报文；（

11、4）数据一致性：可保证某报文同时被所有节点采用或不采 用，确保了数据一致性。2022/7/2931控制器局域网CANCAN的基本概念3、CAN的基本概念3）比特率：比特率可调，但某一给定系统的比特率是统一和固 定的；比特率和距离存在一定关系：5k-10km、 1M-40m。4）优先权：总线访问期间，标识符定义了一个静态的总线访问 优先权：标识符ID越小，优先权越高。2022/7/2932控制器局域网CANCAN的基本概念3、CAN的基本概念5）远程数据请求：发送远程帧，请求接收器发送相应数据帧； 数据帧与远程帧具有相同的标识符。6）多主站：总线空闲时，任何节点均可发送报文，较高优先权 的报文获

12、得总线访问权。2022/7/2933控制器局域网CANCAN的基本概念3、CAN的基本概念7）仲裁：通过标识符的逐位仲裁解决报文冲突，保证了高优先 级报文的实时性，相同标识符的数据帧的优先级高于 远程帧。8）安全性：强有力的错误检测和出错标识：发送检测（位错误 和应答错误）、循环冗余校验、位填充、报文格式 检查。未检出已损报文的残余概率小于4.7X10-11。2022/7/2934控制器局域网CANCAN的基本概念3、CAN的基本概念9）出错标识和恢复时间： 任何检测到错误的节点会对已损报文进行标识，某 个节点的错误标识会导致错误标识的连锁反应，出 错标识是一种特殊帧的叠加；若无新错误，总线恢

13、 复时间最多为31位时间。10）故障界定：CAN节点具有区分短暂干扰和永久性故障的功能。2022/7/2935控制器局域网CANCAN的基本概念3、CAN的基本概念11）连接：CAN的串行通信链路是可以连接多个节点的总线，节 点数理论上不受限，实际受限于收发器的电气指标。12）单通道：CAN总线是一条可传输比特流的串行信道，其中包括数据和同步信息（内同步）；信道实现方法不定（单端、差动；双绞、同轴、光纤）。2022/7/2936控制器局域网CANCAN的基本概念3、CAN的基本概念13）总线值：CAN总线有一对互补的逻辑值：显性、隐性。若显性和隐性位同时传送，总线上表现为显性；如果以“0”表示

14、显性，以“1”表示隐性，总线逻辑符合“线与”的关系。14）应答：总线上所有接收器对报文进行检查，符合规范给以 应答，不符合规范进行标识。（集体表决策略）2022/7/2937控制器局域网CANCAN的基本概念3、CAN的基本概念15）睡眠模式/唤醒：睡眠模式：降低功耗，停止工作，断开总线连接；唤醒条件：任何总线活动或内部条件可将其唤醒；唤醒后：CAN内部立即运行，MAC需等待系统振荡器稳定、等待与总线活动同步才将驱动器设为在线。16）振荡器容限：陶瓷振荡器用于小于125kbps场合，石英晶体 振荡器用于CAN协议所有场合。2022/7/2938控制器局域网CANCAN的报文传送、帧类型、帧格式

15、、帧组成1、CAN报文传送相关概念1）报文发送器与接收器报文发送器：CAN传输期间，发送报文的节点报文接收器：CAN传输期间，非发送报文的节点2）报文过滤：基于报文标识符对报文进行过滤，使相关报文同 时被接收和采用，不相关报文虽被接收但不被采 用。 节省节点软件处理资源，可实现连续多点传送。2022/7/2939控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成1、CAN报文传送相关概念3）CAN的帧类型数据帧：报文发送器向报文接收器传送数据远程帧：报文发送器向报文接收器请求数据出错帧：任何节点标识总线错误超载帧：数据帧或远程帧之间提供延时4）CAN的帧格式标准帧：11位标识符扩展帧：2

16、9位标识符2022/7/2940控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成1、CAN报文传送相关概念5）CAN控制器符合CAN规范的条件（1）支持标准帧格式；（2）不要求必须支持扩展帧格式，但必须能够接收扩展帧格式的报文，不能将扩展帧格式标识为错误。2022/7/2941控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成1）数据帧帧起始：一个显性位，标识数据帧的开始，是所有CAN节点的帧同步点：网络上所有CAN节点必须同步于首先开始发送的节点的帧起始的前沿（下降沿）2022/7/2942控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2

17、、CAN不同类型帧的具体组成1）数据帧仲裁域：总线访问权的控制，标准帧与扩展帧的仲裁域格式不同；标准帧：11位标识符，11位标识符 + RTR扩展帧：29位标识符，高11位标识符+SRR+IDE+低18位标识符+RTR仲裁只发生在仲裁域，仲裁期间丢失仲裁的发送器不标识为发送错误2022/7/2943控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成1）数据帧控制域：由6位组成；保留位：IDE/R1,R0数据长度码：DLC3、DLC2、DLC1、DLC02022/7/2944控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成

18、1）数据帧数据域：包括08个字节，每个字节8位，高位在前；2022/7/2945控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成1）数据帧CRC域：15位CRC序列、1位CRC界定符CRC序列：“帧起始、仲裁域、控制域、数据域、15个0”组成原始多项式，除以生成多项式获得。CRC界定符：一个隐性位。2022/7/2946控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成1）数据帧应答域：应答位、应答位界定符发送器：发送两个隐性位。接收器：正确接收到有效报文，在应答位期间发送显性位通知发送器。应答位界定符必须为隐性位；所有

19、正确接收报文的接收器均发送应答，而不管能否通过接收器接收过滤。2022/7/2947控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成1）数据帧帧结束：7个隐性位2022/7/2948控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成2）远程帧与数据帧组成基本相同：1）没有数据域2）仲裁域的RTR位为隐性；控制域的数据长度表示所请求的数据长度。2022/7/2949控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成3）出错帧出错帧：出错标志叠加、出错界定符出错标志叠加：612位显性位；出

20、错界定符：8位隐性位。2022/7/2950控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成3）出错帧出错帧：出错标志叠加、出错界定符积极出错标志：6个连续的显性位，错误积极节点消极出错标志：6个连续的隐性位，错误消极节点2022/7/2951控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成3）出错帧出错帧：出错标志叠加、出错界定符错误积极节点标识错误：检测到错误，发出积极出错标志，违反了位填充规则或破坏了应答域和帧结束的固定格式，导致其他节点检测到错误并发送出错标志，形成标识错误连锁反应，产生出错标志叠加。2022/

21、7/2952控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成3）出错帧出错帧：出错标志叠加、出错界定符错误消极节点标识错误：检测到错误，试图发出消极出错标志，从发送消极出错标志的起始开始，等待总线上6个相同极性的连续位，一旦检测到6个相同连续位，消极出错标志发送完成。2022/7/2953控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成3）出错帧出错帧：出错标志叠加、出错界定符出错界定符的发送：发送完出错标志后，节点开始发送隐性位，并监视总线，一旦检测到隐性位，发送剩余的7个隐性位。2022/7/2954控制器局域网C

22、ANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成4）超载帧超载帧：超载标志叠加、超载界定符超载标志叠加：612个显性位；超载界定符：8个连续隐性位2022/7/2955控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成4）超载帧发出超载帧的条件：1）接收器要求延迟下一数据帧或远程帧的到达：在帧间间隔间歇域的第1 位开始发送，最多发送两次；2）在帧间间隔的第1、2位检测到显性位：在下一位开始发送；3）在出错界定符或超载界定符的第8位检测到显性位：在下一位开始发送。2022/7/2956控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧

23、组成2、CAN不同类型帧的具体组成4）超载帧节点标识超载的过程：检测到超载条件，发出超载标志，违反了帧间间隔间歇域的固定格式，导致其他节点检测到超载并发送超载标志，形成标识超载连锁反应，产生超载标志叠加。2022/7/2957控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成4）超载帧超载界定符的发送：超载界定符由8位隐性位组成，发送完超载标志后，节点开始发送隐性位，并监视总线，一旦检测到隐性位，发送剩余的7个隐性位。2022/7/2958控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成5）帧间间隔非错误消极节点或作为前

24、一报文接收器的节点的帧间间隔作为前一报文发送器的错误消极节点的帧间间隔2022/7/2959控制器局域网CANCAN报文传送、帧类型、帧格式、帧组成2、CAN不同类型帧的具体组成5）帧间间隔间歇域包括3个隐性位，期间均不允许发送报文；待发送报文节点在第3位检测到显性位则认为是帧起始，下一位开始发送报文。总线空闲：任意长度。 暂停发送域：8个隐性位。2022/7/2960控制器局域网CANCAN报文确认和编码1、报文确认规则1）报文发送器：直到帧结束的结尾都没有出错，报文得到 确认。2）报文接收器：直到帧结束的倒数第2位没有出错，报文 得到确认。2022/7/2961控制器局域网CANCAN报文

25、确认和编码2、位填充规则在数据帧或远程帧的“帧起始、仲裁域、控制域、数据域和CRC域的CRC序列”部分，当发送器在比特流中检测到连续5个相同位时，自动在发送的比特流中插入一个反码位。2022/7/2962控制器局域网CANCAN报文确认和编码2、位填充规则作用：1）提供发送器和接收器之间的同步信息（串行通信），防止当数据中出现连续总线值时同步信息丢失。2）为差错检测提供一种检测手段，当违反位填充规则时，判定为位填充错误。2022/7/2963控制器局域网CANCAN的错误处理与故障界定1、CAN可检测的错误类型1）位错误：CAN发送器发送的位值与监测到的总线的位值 不相同，则在该位时间里检测到

26、一个位错误。例外：仲裁域位流和应答位期间，发送隐性位监测到 显性位；发送消极出错标志的发送器监测到显 性位。2）应答错误：发送器在应答位期间未检测到显性位。2022/7/2964控制器局域网CANCAN的错误处理与故障界定1、CAN可检测的错误类型3）填充错误：在应用位填充规则的报文域中出现6个连续 相同的位电平。4）CRC错误：接收器计算得到的CRC序列与发送器的CRC序 列不符。5）格式错误：一个固定格式域含有一个或多个非法位。 例外：接收器不把帧结束最后1位为显性位识别成错误2022/7/2965控制器局域网CANCAN的错误处理与故障界定2、CAN的错误处理检测到出错条件的节点发送出错

27、标志标识错误。错误积极节点：发送积极出错标志；错误消极节点：发送消极出错标志。位错误、填充错误、格式错误、应答错误：在下一位时间发 送出错标志；CRC错误：在应答界定符的后一位发送出错标志。2022/7/2966控制器局域网CANCAN的错误处理与故障界定3、CAN的故障界定故障界定：区分错误是短暂的扰动还是永久性故障错误积极：正常通信，检错发出积极出错标志；错误消极：正常通信，检错发出消极出错标志；脱离总线：不允许访问总线，关闭驱动器。界定方法：发送出错计数器TXE、接收出错计数器RXE2022/7/2967控制器局域网CANCAN的错误处理与故障界定3、CAN的故障界定界定标准：错误消极：

28、255TXE128 或 RXE128错误积极：TXE127 且 RXE127脱离总线：TXE2561） 脱离总线节点在监测到总线出现了连续128次11个隐性位后，可转成错误积极节点。2） 一般大于96的出错计数就已经表明总线受到了严重干扰。2022/7/2968控制器局域网CANCAN的位定时与同步1、CAN位定时的相关概念1）标称位速率：一个理想发送器在没有重同步情况下每秒发送的 位的数量。2）标称位时间：标称位时间是标称位速率的倒数。3）时间单元：组成位时间的最小量化时间段，时间单元为最小时 间单元的整数倍。2022/7/2969控制器局域网CANCAN的位定时与同步2、CAN位时间的结构

29、1）CAN的标称位时间结构同步段：用于同步总线上不同节点，预期有一个跳变沿位于该时间段内。2022/7/2970控制器局域网CANCAN的位定时与同步2、CAN位时间的结构1）CAN的标称位时间结构传播时间段：用于补偿网络内的物理延迟时间，为总线传播时延、输入比较器时延、输出驱动器时延总和的2倍。2022/7/2971控制器局域网CANCAN的位定时与同步2、CAN位时间的结构1）CAN的标称位时间结构相位缓冲段1和相位缓冲段2：用于补偿跳变沿的相位误差，可以在重同步时延长或缩短。2022/7/2972控制器局域网CANCAN的位定时与同步2、CAN位时间的结构1）CAN的标称位时间结构采样点：读取总线电平并解释该位值的时间点。2022/7/2973控制器局域网CANCAN的位定时与同步2、CAN位时间的结构1）CAN的标称位时间结构信息处理时间：采样点之后保留的用于计算位电平的时间。2022/7/2974控制器局域网CANCAN的位定时与同步2、CAN位时间的结构2）用时间单元描述的CAN的位时间结构2022/7/2975控制器局域网CANCAN的位定时与同步3、CAN的位同步1）硬同步：强迫引起硬同步的跳变沿位于重新开始的位时间的同 步段内。2）重同