工业通信与网络技术XXXX

工业通信与网络技术（11）哈工大网络与电气智能化研究所刘勇2015（春）第五章CAN总线1概述CAN（ControllerAreaNetwork，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。CAN已成为国际标准ISO11898和ISO11519。CAN的发展历程：以CiA推出的CANSpecification2.0为底层的高层协议有：CANKingdomDeviceNetCANopenSAEJ1939SDSCAN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。如BENZ（奔驰）、BMW（宝马）、PORSCHE（保时捷）、ROLIS-ROYCE（劳斯莱斯）、JAGUAR（美洲豹）和MAZDA（马自达）等都。CAN与其他现场总线相比，具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其技术特点如下：(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，而代之以对通信数据进行编码；通过报文过滤，可实现点对点、多点播送（传送）、广播等几种数据传送方式。(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，检错效果极好，处理功能很强，保证了通信的高可靠性。位错误和位填充错误检测、CRC校验、报文格式检查和应答错误检测及相应的错误处理。(5)通信介质（媒体）可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。(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。(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。通过采用这种机制，即使在网络负载很重时，也不会出现网络瘫痪现象。(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。CAN最初虽然是是为汽车的的监测、控控制系统而而设计的，，但由于它它在性能、、可靠性等等方面的突突出优势，，现已广泛泛应用于航航天、电力力、石化、、冶金、纺纺织、造纸纸、仓储等等行业。如如在自动化化仪表、智智能传感器器、数控机机床、医疗疗器械、机机器人、楼楼宇自动化化装置、火火车、轮船船等元件、、设备、设设施中，CAN总线都得到到了良好的的应用。2CAN节点的分层层结构3CAN物理层3.1CAN总线典型电电平显性电平（Dominant）：逻辑“0”隐性电平（Recessive）：逻辑“1”ISO11898中规定：在隐性状态态下：VCAN-H=VCAN-L=2.5V，Vdiff=0V在显性状态态下：VCAN-H=3.5V，VCAN-L=1.5V，Vdiff=2V3.2CAN接插件管脚脚分配3.3CAN总线终端电电阻120Ω±±10%，ISO118983.4CAN总线使用的的编码NRZ编码（非归归零编码）），采用位位填充规则则编码（无无论何时，，当发送器器在将被发发送的位流流中检测到到数值相同同的5个连续位时时，会自动动地在实际际的发送位位流中插入入一个补码码位）。3.5CAN总线的位速速率5k~1M（bps）3.6CAN总线长度40m~10kmCAN总线位速率率与总线长长度的关系系：主要影响因因素：（1）CAN总线要求发发送器在发发送每一位位的同时，，都要监视视总线电平平，用以确确定是否发发送器竞争争发送权失失败，是否否总线发生生了位错误误，是否获获得了应答答；（2）为实现（（1）中的目的的，要考虑虑传播延时时的影响。。铜导线中中，电信号号的传播速速度是光速速的2/3；（3）还要考虑虑发送器延延时、接收收器延时，，以及可靠靠采样的要要求。3.7CAN总线的位定定时同步段——用于使总线线上的各个个节点同步步。期望有有一个跳变变沿位于此此段内。传播段——用于补偿网网络内的物物理延时。。它是信号号在总线上上传播时间间的两倍与与输入比较较器延时和和输出驱动动器延时之之和。相位缓冲段段1和相位缓冲冲段2——用于补偿沿沿的相位误误差，使总总线上的各各个节点同同步。通过过重同步，，这2个时间段可可被延长或或缩短。采样点——是这样一个个时刻，在在此时刻上上，总线电电平被读，，并被理解解为其自身身位的数值值。它位于于相位缓冲冲段1的终点。信息处理时时间——是由采样点点开始、为为计算后续续位电平而而保留的时时间段。时间份额——是由振荡器器周期派生生出的一个个固定时间间单元。同步段：1个时间份额额；传播段：1~8个时间份额额；相位缓冲段段1：1~8个时间份额额；相位缓冲段段2：相位缓冲冲段1和信息处理理时间的最最大值；信息处理时时间：≤2个时间份额额；时间份额总总数：8~25。由于各个CAN节点所使用用的振荡器器频率不可可能都是精精确的理想想值，一般般都与其存存在着一定定的误差，，使得发送送器与接收收器各自对对位时间的的理解实际际上存在差差异。又由由于CAN总线使用了了NRZ编码，若没没有一定的的位定时机机制，随着着累积误差差的增大，，终归会使使接收器错错误地采样样到总线上上的其它位位上。硬同步与重重同步就是是用于准确确位定时的的保障机制制。3.8CAN总线的位同同步硬同步：只只发生在帧帧起始的位位置。硬同同步后，内内部位时间间从同步段段重新开始始。因而，，硬同步强强迫引起硬硬同步的沿沿处于重新新开始的位位时间同步步段之内。。重同步：发发生在帧内内。通过在在每个时间间段采样总总线，并与与前一个采采样点处的的总线电平平做比较，，可以检测测到跳变沿沿。如果跳跳变沿发生生在同步段段内，则认认为接收节节点与发送送节点是同同步的；否否则说明二二者不同步步，需要进进行重同步步。重同步的目目的是通过过延长相位位缓冲段1或缩减相位位缓冲段2来控制跳变变沿和采样样点之间的的距离，以以补偿振荡荡器误差。。CAN2.0规范规定：：只有隐性性电平到显显性电平的的跳变沿才才用于重同同步。沿相位误差差e：由沿相对对于当前同同步段的位位置给定，，计为时间间份额的整整数倍。如如果沿出现现在当前同同步段之前前，e被计为负，，如果沿出出现在当前前同步段之之后，e被计为正。。重同步跳转转宽度（SJW）用于设定定相位缓冲冲段延长或或缩短的上上限，应被被编程为1~4个时间份额额，并且不不能长于任任何一个相相位缓冲段段长度。重同步规则则：当e>0时，相位缓缓冲段1要延长。如如果e<SJW，相位缓冲冲段1要延长e，否则延长长SJW；当e<0时，相位缓缓冲段2要缩减。如如果e<SJW，相位缓冲冲段2要缩减e，否则缩减减SJW；当e<SJW时，重同步步和硬同步步的效果是是一样的。。如果e>SJW，重同步不不能充分补补偿e，误误差差（（e-SJW）仍仍然然存存在在。。同步步规规则则(SynchronizationRules)：①在在一一个个位位时时间间内内仅仅允允许许一一种种同同步步。。②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。。③在在总总线线空空闲闲期期间间，，无无论论何何时时当当存存在在一一个个““隐隐性性””至至““显显性性””的的跳跳变变沿沿，，则则执执行行一一次次硬硬同同步步。。④所所有有履履行行规规则则①①和和②②的的其其它它““隐隐性性””至至““显显性性””的的跳跳变变沿沿都都将将被被用用于于重重同同步步。。4报文文传传送送及及其其帧帧类类型型接收收器器/发送送器器发出出一一个个报报文文的的单单元元称称为为该该报报文文的的发发送送器器。。若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报文文的的接接收收器器。。报文文的的有有效效性性对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””终终结结一一直直未未出出错错，，则则报报文文有有效效。。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””的的那那一一位位））一一直直未未出出错错，，则则报报文文有有效效。。帧类类型型数据据帧帧携带带数数据据由由发发送送器器至至接接收收器器；；远程程帧帧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相同同标标识识符符的的数数据据帧帧；；错误误帧帧由检检测测到到总总线线错错误误的的任任何何单单元元发发送送；；超载载帧帧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远程程帧帧之之间间的的附附加加延延迟迟。。数据据帧帧由由7个不不同同的的位位场场(BitFrame)组成成：：帧起起始始(StartofFrame)仲裁裁场场(ArbitrationField)控制制场场(ControlField)数据据场场(DataField)CRC场(CRCField)应答答场场(ACKField)帧结结束束(EndofField)数据据帧帧(DataFrame)帧起起始始(SOF——StartOfFrame)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””位位构构成成。。仲裁裁场场由标标识识符符和和远远程程发发送送请请求求（（RTR）位位组组成成。。标识识符符(Identifier)的长长度度为为11位。。这这些些位位以以ID-10至ID-0的顺顺序序发发送送，，最最低低位位为为ID-0，其其中中最最高高7位（（ID-10~ID-4）必必须须不不是是全全““隐隐性性””。。RTR位（（RemoteTransmissionRequestBit）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位必必须须是是““隐隐性性””的的。。控制场场由6位组成成，包包括两两个用用于将将来扩扩展的的保留留位和和4位数据据长度度码。。表数数据据长度度码中中数据据字节节数目目编码码数据场场由数据据帧中中被发发送的的数据据组成成，它它可包包括0至8个字节节，每每个字字节包包括8位，其其中首首先发发送最最高有有效位位。CRC场包括CRC序列、、CRC界定符符。参加CRC校验的的位场场包括括帧起始始、仲仲裁场场、控控制场场、数数据场场（假若若存在在）在在内的的无填填充位位流。。CRC序列后后随CRC界定符符，它它只包包括