《工业通信与网络技术》第5章 CAN总线-李中伟

1哈工大网络与电气智能化研究所

工业通信与网络技术

主讲教师：李中伟佟为明

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课程邮箱：hitfieldbus@163.com，密码：fieldbus2015第5章CAN总线1概述2CAN节点的分层结构3CAN物理层4报文传送及其帧类型5错误类型和界定6其他问题7.独立CAN控制器SJA10008CAN控制器接口PCA82C2509CAN总线在电能质量监测系统中的应用哈工大网络与电气智能化研究所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。哈工大网络与电气智能化研究所第5章CAN总线哈工大网络与电气智能化研究所1概述CAN的发展历程：哈工大网络与电气智能化研究所以CiA推出的CANSpecification2.0为底层的高层协议有：CANKingdomDeviceNetCANopenSAEJ1939SDS1概述哈工大网络与电气智能化研究所1概述CAN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。哈工大网络与电气智能化研究所1概述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。哈工大网络与电气智能化研究所1概述(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。哈工大网络与电气智能化研究所1概述(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。哈工大网络与电气智能化研究所1概述(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。哈工大网络与电气智能化研究所1概述CAN最初虽然是为汽车的监测、控制系统而设计的，但由于它在性能、可靠性等方面的突出优势，现已广泛应用于航天、电力、石化、冶金、纺织、造纸、仓储等行业。如在自动化仪表、智能传感器、数控机床、医疗器械、机器人、楼宇自动化装置、火车、轮船等元件、设备、设施中，CAN总线都得到了良好的应用。哈工大网络与电气智能化研究所2CAN节点的分层结构哈工大网络与电气智能化研究所3CAN物理层3.1CAN总线典型电平哈工大网络与电气智能化研究所显性电平（Dominant）：逻辑“0”隐性电平（Recessive）：逻辑“1”ISO11898中规定：在隐性状态下：VCAN-H=VCAN-L=2.5V，Vdiff=0V在显性状态下：VCAN-H=3.5V，VCAN-L=1.5V，Vdiff=2V3.1总线典型电平哈工大网络与电气智能化研究所3.1总线典型电平哈工大网络与电气智能化研究所3.1总线典型电平哈工大网络与电气智能化研究所3.1总线典型电平哈工大网络与电气智能化研究所3.2CAN接插件管脚分配哈工大网络与电气智能化研究所3.3CAN总线终端电阻120Ω±10%，ISO11898哈工大网络与电气智能化研究所3.4CAN总线使用的编码NRZ编码（非归零编码），采用位填充规则编码（无论何时，当发送器在将被发送的位流中检测到数值相同的5个连续位时，会自动地在实际的发送位流中插入一个补码位）。3.5CAN总线的位速率5k~1M（bps）3.6CAN总线长度40m~10km哈工大网络与电气智能化研究所CAN总线位速率与总线长度的关系：哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所主要影响因素：（1）CAN总线要求发送器在发送每一位的同时，都要监视总线电平，用以确定是否发送器竞争发送权失败，是否总线发生了位错误，是否获得了应答；（2）为实现（1）中的目的，要考虑传播延时的影响。铜导线中，电信号的传播速度是光速的2/3；（3）还要考虑发送器延时、接收器延时，以及可靠采样的要求。哈工大网络与电气智能化研究所3.7CAN总线的位定时哈工大网络与电气智能化研究所同步段——用于使总线上的各个节点同步。期望有一个跳变沿位于此段内。传播段——用于补偿网络内的物理延时。它是信号在总线上传播时间的两倍与输入比较器延时和输出驱动器延时之和。哈工大网络与电气智能化研究所3.7CAN总线的位定时相位缓冲段1和相位缓冲段2——用于补偿沿的相位误差，使总线上的各个节点同步。通过重同步，这2个时间段可被延长或缩短。采样点——是这样一个时刻，在此时刻上，总线电平被读，并被理解为其自身位的数值。它位于相位缓冲段1的终点。哈工大网络与电气智能化研究所3.7CAN总线的位定时信息处理时间——是由采样点开始、为计算后续位电平而保留的时间段。时间份额——是由振荡器周期派生出的一个固定时间单元。哈工大网络与电气智能化研究所3.7CAN总线的位定时同步段：1个时间份额；传播段：1~8个时间份额；相位缓冲段1：1~8个时间份额；相位缓冲段2：相位缓冲段1和信息处理时间的最大值；信息处理时间：≤2个时间份额；时间份额总数：8~25。哈工大网络与电气智能化研究所3.7CAN总线的位定时由于各个CAN节点所使用的振荡器频率不可能都是精确的理想值，一般都与其存在着一定的误差，使得发送器与接收器各自对位时间的理解实际上存在差异。又由于CAN总线使用了NRZ编码，若没有一定的位定时机制，随着累积误差的增大，终归会使接收器错误地采样到总线上的其它位上。硬同步与重同步就是用于准确位定时的保障机制。哈工大网络与电气智能化研究所3.8CAN总线的位同步3.8CAN总线的位同步硬同步：只发生在帧起始的位置。硬同步后，内部位时间从同步段重新开始。因而，硬同步强迫引起硬同步的沿处于重新开始的位时间同步段之内。哈工大网络与电气智能化研究所重同步：发生在帧内。通过在每个时间段采样总线，并与前一个采样点处的总线电平做比较，可以检测到跳变沿。如果跳变沿发生在同步段内，则认为接收节点与发送节点是同步的；否则说明二者不同步，需要进行重同步。重同步的目的是通过延长相位缓冲段1或缩减相位缓冲段2来控制跳变沿和采样点之间的距离，以补偿振荡器误差。CAN2.0规范规定：只有隐性电平到显性电平的跳变沿才用于重同步。哈工大网络与电气智能化研究所3.8CAN总线的位同步沿相位误差e：由沿相对于当前同步段的位置给定，计为时间份额的整数倍。如果沿出现在当前同步段之前，e被计为负，如果沿出现在当前同步段之后，e被计为正。重同步跳转宽度（SJW）用于设定相位缓冲段延长或缩短的上限，应被编程为1~4个时间份额，并且不能长于任何一个相位缓冲段长度。哈工大网络与电气智能化研究所3.8CAN总线的位同步重同步规则：当e>0时，相位缓冲段1要延长。如果e<SJW，相位缓冲段1要延长e，否则延长SJW；当e<0时，相位缓冲段2要缩减。如果e<SJW，相位缓冲段1要缩减e，否则缩减SJW；当e<SJW时，重同步和硬同步的效果是一样的。如果e>SJW，重同步不能充分补偿e，误差（e-SJW）仍然存在。哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所3.8CAN总线的位同步同步规则(SynchronizationRules)：①在一个位时间内仅允许一种同步。②只要在先前采样点上检测到的数值与一个沿过后立即得到的总线数值不同，则该沿将被用于同步。③在总线空闲期间，无论何时当存在一个“隐性”至“显性”的跳变沿，则执行一次硬同步。④所有履行规则①和②的其它“隐性”至“显性”的跳变沿都将被用于重同步。哈工大网络与电气智能化研究所3.8CAN总线的位同步4报文传送及其帧类型接收器/发送器发出一个报文的单元称为该报文的发送器。若一个单元不是某个报文的发送器，并且总线不处于空闲状态，则称该单元为该报文的接收器。

哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型报文的有效性对于发送器而言，如果直到“帧结束”终结一直未出错，则报文有效。对于接收器而言，如果直到最后（除“帧结束”的那一位）一直未出错，则报文有效。哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型位流编码构成一帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列均借助位填充规则进行编码。无论何时，当发送器在将被发送的位流中检测到数值相同的5个连续位时，会自动地在实际的发送位流中插入一个补码位。数据帧或远程帧的其余位场（CRC界定符，应答场和帧结束）具有固定格式，不进行填充。错误帧和超载帧同样具有固定格式，并且不用位填充规则编码。报文中的位流按照非归零码规则编码，在一个完整的位时间内，产生的位电平要么是“显性”，要么是“隐性”。哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型帧类型数据帧携带数据由发送器至接收器；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；错误帧由检测到总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前的和后续的数据帧或远程帧之间的附加延迟。哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型数据帧由7个不同的位场(BitFrame)组成：帧起始(StartofFrame)仲裁场(ArbitrationField)控制场(ControlField)数据场(DataField)CRC场(CRCField)应答场(ACKField)帧结束(EndofField)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型数据帧(DataFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型帧起始(SOF—StartOfFrame)

标志数据帧和远程帧的起始，它仅由一个“显性”位构成。数据帧(DataFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型仲裁场由标识符和远程发送请求（RTR）位组成。数据帧(DataFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型标识符(Identifier)的长度为11位。这些位以ID-10至ID-0的顺序发送，最低位为ID-0，其中最高7位（ID-10~ID-4）必须不是全“隐性”。RTR位（RemoteTransmissionRequestBit）在数据帧中，必须是“显性”的，而在远程帧中，RTR位必须是“隐性”的。数据帧(DataFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型控制场由6位组成，包括两个用于将来扩展的保留位和4位数据长度码。数据帧(DataFrame)哈工大网络与电气智能化研究所表数据长度码中数据字节数目编码4报文传送及其帧类型哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型数据场由数据帧中被发送的数据组成，它可包括0至8个字节，每个字节包括8位，其中首先发送最高有效位。数据帧(DataFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型CRC场包括CRC序列、CRC界定符。数据帧(DataFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型CRC场参加CRC校验的位场包括帧起始、仲裁场、控制场、数据场（假若存在）在内的无填充位流。

CRC序列后随CRC界定符，它只包括一个“隐性”位。数据帧(DataFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型应答场为两位长度，包括应答间隙和应答界定符。数据帧(DataFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型应答场在应答场中发送站送出两个“隐性”位。一个正确地接收到有效报文的接收器，在应答间隙期间，通过传送一个“显性”位将此信息报告给发送器（接收器发送“应答”）。所有接收到匹配CRC序列的站，在应答间隙期间通过把“显性”位写入发送器的“隐性”位来报告此信息。应答界定符是应答场的第二位，并且必须是“隐性”位。因此，应答间隙被两个“隐性”位（CRC界定符和应答界定符）包围。数据帧(DataFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型帧结束每个数据帧和远程帧均是由7个“隐性”位组成的标志序列界定的。数据帧(DataFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型

远程帧由6个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。远程帧(RemoteFrame)哈工大网络与电气智能化研究所

错误帧由两个不同场组成：来自各站的错误标志(ErrorFlage)；错误界定符(ErrorDelimiter)。4报文传送及其帧类型错误帧(ErrorFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型错误标志具有两种形式：激活错误标志(ActiveErrorFlag)：由6个连续的“显性”位组成；认可错误标志（PassiveErrorFlag）：由6个连续的“隐性”位组成，除非它被来自其它节点的“显性”位改写。错误帧(ErrorFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型一个检测到错误状态的“错误激活”站通过发送一个激活错误标志来标注该错误。这一错误标志形式违背适用于由帧起始至CRC界定符的所有场的位填充规则，或者破坏了应答场或帧结束场的固定形式。因而，所有其它站将检测到错误状态，并且由它们的部件开始发送错误标志。错误帧(ErrorFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型这样，在总线上实际被监视到的“显性”位序列是由各个单独站发送的不同错误标志叠加而形成的。该序列的总长度在最小值6位和最大值12位之间变化。一个检测到错误状态的“错误认可”站通过发送一个认可错误标志来试图标注该错误。该“错误认可”站以认可错误标志的开始为起点等待6个相同极性的连续位。当检测到6个相同位后，认可错误标志即告完成。错误帧(ErrorFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型错误界定符包括8个“隐性”位。错误标志发送后，每个站都送出“隐性”位并监视总线，直至检测到一个“隐性”位。此后，开始发送剩余的7个“隐性”位。错误帧(ErrorFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。存在两种导致发送超载标志的超载条件：一个是接收器的内部条件，接收器要求下一个数据帧或远程帧的延迟；另一个是在间歇场（帧间空间）检测到“显性”位。超载帧(OverloadFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型由前一个超载条件引起的超载帧起点，仅允许在期望间歇场（帧间空间）的第一位时间开始，而由后一个超载条件引起的超载帧在检测到“显性”位后开始发送第一位。最多可产生2个超载帧用于延迟下一个数据帧或远程帧。超载帧(OverloadFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型超载标志(OverloadFlage)由6个“显性”位组成。全部形式对应于激活错误标志形式。超载标志形式破坏了间歇场的固定形式。因而，所有其它站都将检测到一个超载条件，并且由它们的部件开始发送超载标志。超载帧(OverloadFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型超载界定符(OverloadDelimiter)由8个“隐性”位组成。超载界定符与错误界定符具有相同的形式。发送超载标志后，站监视总线直至检测到由“显性”到“隐性”位的发送。在此时刻，总线上的每个站均完成送出其超载标志，并且所有站一致地开始发送剩余的7个“隐性”位。超载帧(OverloadFrame)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型数据帧和远程帧与其前面的帧（数据帧、远程帧、错误帧或超载帧）均以称为帧间空间的位场分隔开。在超载帧和错误帧前面没有帧间空间，并且多个超载帧也不被帧间空间分隔。帧间空间(InterframeSpace)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型帧间空间包括间歇场和总线空闲场，对于已经发送先前报文的“错误认可”站还有暂停发送场(SuspendTransmission)。帧间空间(InterframeSpace)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型间歇场(IntermissionField)由3个“隐性”位组成。间歇场期间，不允许任何站启动发送数据帧或远程帧。唯一的作用是标注超载条件。帧间空间(InterframeSpace)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型总线空闲场(BusIdleField)持续时间可为任意长度。此时，总线是开放的，因而任何需要发送的站均可访问总线。在其它报文发送期间，待发送的报文，在间歇场后的第一位开始发送。检测到总线上的一个“显性”位将被理解为帧起始。帧间空间(InterframeSpace)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型暂停发送场(SuspendTransmissionField)：“错误认可”站发完一个报文后，在开始下一次报文发送或认可总线空闲之前，它紧随间歇场后送出8个“隐性”位。如果在此期间其它站开始一次发送，该站将变为报文接收器。帧间空间(InterframeSpace)哈工大网络与电气智能化研究所4报文传送及其帧类型帧间空间(InterframeSpace)哈工大网络与电气智能化研究所5错误类型和界定错误类型：位错误填充错误CRC错误形式错误应答错误哈工大网络与电气智能化研究所5错误类型和界定位错误、填充错误、形式错误或应答错误由检测出的站在下一位开始时发送错误标志。

CRC错误由检测出的站在应答界定符后面那一位开始发送，除非用于其它错误状态的错误标志已经开始发送。哈工大网络与电气智能化研究所5错误类型和界定在CAN总线中，就故障界定而言，一个单元（节点）可能处于三种状态：“错误激活”(“ErrorActive”)“错误认可”(“ErrorPassive”)“总线脱离”(“Busoff”)哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所5错误类型和界定总线单元中的两种计数：发送错误计数接收错误计数哈工大网络与电气智能化研究所6其他问题哈工大网络与电气智能化研究所6.1非破坏性逐位仲裁的媒体访问控制机制6.2MAC机制哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所哈工大网络与电气智能化研究所6.3数据帧与CAN中断速率标准格式数据帧的最小位数为44，最大位数为108。一般地，将帧起始、仲裁场和控制场作为CAN头部（19位），CRC场、应答场和帧结束作为CAN尾部（25位）。哈工大网络与电气智能化研究所6.3数据帧与CAN中断速率

在设计CAN节点/系统时，设计者应考虑由总线上的数据帧引起的对节点的中断的速率。由于CAN数据帧较小（0-8字节），当因多个节点欲同时发送报文而使总线上出现连续的数据帧时，对用软件屏蔽或完全不屏蔽的接收器的中断发生率就会很高。哈工大网络与电气智能化研究所6.3数据帧与CAN中断速率哈工大网络与电气智能化研究所7.独立CAN控制器SJA1000CAN控制器需具备/实现的功能及其对应的寄存器：接收过滤——接收码寄存器（ACR）、接收屏蔽寄存器（AMR）——初始化确定CAN总线通信速率/位时间——总线定时寄存器0（BTR0）、总线定时寄存器1（BTR1）——初始化输出驱动器配置——输出控制寄存器（OCR）——初始化BsicCAN（默认）、PeliCAN模式的选择——时钟分频寄存器（CDR）——初始化发送数据、接收数据——发送缓冲器（TXB）、接收缓冲器（RXB）——运行发送/接收数据过程当中的中断使能、状态指示以及命令设置——控制、状态和命令寄存器（CR、SR和CMR）——运行哈工大网络与电气智能化研究所7.1接受码寄存器

接受过滤器：在接受过滤器的帮助下，仅当被接收报文的标识符位与接受过滤寄存器中预定义的那些位相等时，CAN控制器才能允许被接收报文进入RXFIFO。接受过滤器通过接受码寄存器和接受屏蔽寄存器来定义。（1）接受码寄存器（ACR）BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0AC.7AC.6AC.5AC.4AC.3AC.2AC.1AC.0哈工大网络与电气智能化研究所7.2接受屏蔽寄存器

接受码位（AC.7—AC.0）和报文标识符的8个最重要的位（ID.10—ID.3）必须在被接受屏蔽位（AM.7—AM.0）标定为相关的那些位的位置上相等。接受屏蔽寄存器限定，接受码与接受滤波的对应位的哪些位是“相关的”(AM.X=0)或“不予关心的（AM.X=1）。（2）接受屏蔽寄存器（AMR）BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0AM.7AM.6AM.5AM.4AM.3AM.2AM.1AM.0

哈工大网络与电气智能化研究所思考题：CAN现场总线的发送器和接收器均使用SJA1000，采用CAN2.0A规范，发送器发送的4个报文的ID分别为：（1）11001100001；（2）11001101001；（3）11001000001；（4）11001001001。欲使接收器只接收报文（1）、（3），应如何设置接收器SJA1000的ACR和AMR？哈工大网络与电气智能化研究所7.3总线定时寄存器0总线定时寄存器0（BTR0）总线定时寄存器0的内容确定波特率预引比例因子（BRP）和同步跳转宽度（SJW）的值。若复位模式有效，此寄存器是可以被访问（读/写）的。BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0SJW.1SJW.0BRP.5BRP.4BRP.3BRP.2BRP.1BRP.0哈工大网络与电气智能化研究所总线定时寄存器0（BTR0）（2）同步跳转宽度（SJW）：为补偿在不同总线控制器的时钟振荡器之间的相移，任何总线控制器必须重同步于当前发送的任何相关信号沿。同步跳转宽度确定一个位时间可以被一次重同步所缩短或延长的时钟周期的最大数目：哈工大网络与电气智能化研究所7.3总线定时寄存器0总线定时寄存器1（BTR1）总线定时寄存器1的内容确定位时间的长度、采样点的位置和在每个采样点欲获取的采样数目。如果复位模式有效，这个寄存器可以被访问（读/写）。只有选择PeliCAN模式，这个寄存器在运行模式中才是可读的。在BasicCAN模式中呈现的是‘FFH’。BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2