《CAN协议简介》课件

CAN协议简介CAN协议是一种用于汽车和工业自动化应用的串行通信协议。它提供了一种可靠且高效的方式来传输数据，支持不同设备之间的通信。什么是CAN协议?控制器局域网络CAN协议是一种用于汽车和其他嵌入式系统中不同电子控制单元之间通信的协议。它提供了一种可靠、灵活且高效的通信方式。应用广泛CAN协议广泛应用于汽车领域，包括发动机控制、车身控制、安全系统和车载娱乐系统。工业自动化除了汽车行业，CAN协议也在工业自动化、医疗设备和其他领域得到应用。CAN协议的历史发展CAN总线最初由德国博世公司于20世纪80年代提出并开发。11983年博世公司开始研究CAN总线技术。21986年第一个CAN协议标准发布。31991年ISO11898标准发布。42012年CANFD协议发布。CAN协议最初被应用于汽车领域，后来逐渐扩展到工业自动化、医疗设备等领域。CAN协议的优势实时性强CAN协议的实时性高，数据传输速率快，可满足实时控制的需求。例如，在汽车电子系统中，CAN协议用于发动机控制、安全气囊等关键系统的实时控制。可靠性高CAN协议具有高度的可靠性。其数据传输采用差分信号，具有抗干扰能力，并且配备了错误检测和纠正机制，可以保证数据传输的准确性。灵活扩展性CAN总线可以连接多个节点，最多可达110个，并且每个节点可以独立进行数据收发，具有灵活的扩展能力。成本低廉CAN协议的硬件成本低廉，并且其软件开发也相对简单，这使得其成为多种应用场景的理想选择。CAN协议的工作原理1节点发送节点发送数据报文2总线仲裁节点竞争总线控制权3数据传输数据报文在总线上广播4接收处理其他节点接收数据报文CAN协议采用广播通信方式。每个节点都可以发送和接收数据，所有节点共享同一根总线。节点发送数据报文时，必须先进行总线仲裁。节点通过发送电平信号来竞争总线控制权。获得控制权的节点才能将数据发送到总线上，其他节点只能接收数据。CAN协议的帧结构CAN协议帧结构包含多个字段，每个字段都有特定的含义和作用。帧结构定义了报文在总线上传输的格式，便于节点之间识别和解析报文内容。起始符仲裁域控制域数据域CRC校验ACK应答帧结束符标准帧和扩展帧1标准帧标准帧具有11位的标识符，用于识别数据报文的优先级，通常用于小型网络，具有较高的实时性要求。2扩展帧扩展帧使用29位标识符，可以支持更多的节点和数据报文，适用于大型网络和复杂应用场景。3帧结构对比标准帧和扩展帧的帧结构基本相同，但标识符长度和部分字段的定义有所区别。CAN协议的仲裁机制仲裁机制当多个节点同时发送数据时，需要一个机制来决定哪个节点优先发送，这个机制称为仲裁机制。优先级CAN总线采用“位优先级”的方式，优先级高的节点会优先获得总线控制权。仲裁过程节点从最高有效位开始比较，如果两个节点的数据相同，则继续比较下一位。数据比较如果某个节点数据位的值为0，而另一个节点数据位的值为1，则值为0的节点优先级更高。报文的传输过程1报文发送发送节点将报文打包成CAN帧格式。2仲裁过程多个节点同时发送报文时，通过仲裁机制决定哪个节点优先发送。3报文传输获胜节点的报文在总线上以电信号的形式进行传输。4报文接收接收节点识别目标地址，并对收到的报文进行解码。CAN协议的错误处理错误检测CAN协议通过校验和、CRC校验等机制进行错误检测，确保数据传输的完整性和可靠性。错误帧当检测到错误时，发送节点会发送错误帧，提醒其他节点出现错误，并帮助进行错误恢复。错误计数接收节点会记录错误帧数量，超过一定阈值时，节点会进入错误被动模式，停止发送数据。错误恢复节点可以通过重新发送数据、更改传输速率等方式进行错误恢复，保证网络正常运行。CAN协议的同步机制时钟同步每个节点都使用一个内部时钟来计时，所有节点的时钟必须同步，才能确保消息的准确传输。同步过程CAN控制器通过接收总线上的同步信号来同步其时钟，同步信号由发送节点在发送数据帧时发出。CAN协议的物理层CAN总线采用双绞线作为物理介质，实现差分信号传输。双绞线具有良好的抗干扰能力，并能有效抑制信号衰减。CAN总线的连接器类型多种多样，常见的包括D型连接器、RJ45连接器等。不同的连接器类型满足不同的应用需求，并确保信号传输的可靠性。CAN协议的收发器发射器将来自微控制器的CAN信号转换为差分信号，并发送到总线。接收器从总线接收差分信号，并将其转换为微控制器可识别的信号。收发器集成发射器和接收器，实现CAN总线上的信号收发。总线终端电阻1阻抗匹配终端电阻用于匹配CAN总线的特性阻抗，防止信号反射，确保信号完整性。2信号衰减电阻能有效衰减信号，防止信号在总线上过度传播，避免干扰其他节点。3安装位置终端电阻通常安装在CAN总线的两端，即网络的起点和终点。4阻值选择终端电阻的阻值应与CAN总线的特性阻抗相匹配，通常为120欧姆。CAN总线的连接方式1总线型所有节点共用一条总线，所有节点都能接收到所有节点发送的报文。2星型所有节点通过一个中心节点连接到总线上，中心节点负责转发报文。3树型节点按层次结构连接，节点之间通过分层结构进行数据通信。总线电压和差分信号总线电压差分信号通常为2.5VCAN总线使用差分信号传输数据电压水平代表逻辑状态两个信号线上的电压差值代表逻辑状态易受噪声干扰抗噪声能力强信号衰减快信号衰减慢，传输距离远CAN通讯速率及其决定因素CAN总线的通讯速率是指数据在总线上传输的速率，通常以波特率(bps)来衡量。CAN通讯速率受多种因素影响，包括：总线长度、节点数量、电缆类型、信号质量和干扰程度。CAN协议的应用领域汽车电子CAN协议是汽车电子领域的标准通讯协议，用于控制发动机、变速箱、车身电子系统等各种功能模块。工业自动化CAN协议在工业自动化中也得到了广泛应用，例如控制电机、传感器、执行器等设备，实现自动化生产。医疗设备CAN协议在医疗设备领域也有应用，例如控制呼吸机、心电监护仪等医疗设备，保障患者安全和治疗效果。其他领域除了上述领域，CAN协议还在航空航天、电力电子、机器人等领域也得到了广泛应用。汽车电子中的CAN总线汽车电子控制系统通常包含多个电子控制单元(ECU)，例如发动机控制单元(ECU)、变速箱控制单元(TCU)、车身控制单元(BCM)和安全气囊控制单元(SRS)。CAN总线作为汽车电子系统中主要的通信协议，负责ECU之间的通信，实现对车辆各个部件的协同控制。工业自动化中的CAN总线CAN总线在工业自动化领域应用广泛。它能够实现实时控制、数据采集、设备互联和远程监控。例如，用于控制机器人、自动化生产线、PLC等设备。CAN总线具有可靠性高、抗干扰能力强、通信速率快等优势。它能够满足工业自动化环境的严格要求，并提高生产效率和可靠性。医疗设备中的CAN总线CAN总线在医疗设备中扮演着重要角色，例如在医疗影像设备、生命体征监测仪、血液透析机等设备中得到广泛应用。CAN总线的高可靠性、实时性、低成本等优势使其成为医疗设备数据通信的首选协议之一，确保设备的安全性和可靠性。CAN协议的升级版本CANFD协议CANFD协议是CAN协议的升级版本，它保持了CAN协议的优势，并增加了数据传输速率和数据帧长度。更高的数据传输速率CANFD协议允许更高的数据传输速率，可达8Mbps，提高了数据传输效率。更大的数据帧长度CANFD协议支持更大的数据帧长度，最高可达64字节，提高了数据传输容量。CANFD协议的特点更高的数据速率CANFD协议支持更高的数据速率，可以达到8Mbps，提高了数据传输效率。更大的数据容量CANFD协议增加了数据帧长度，可以传输更多的数据，满足了日益增长的数据传输需求。向后兼容性CANFD协议与传统的CAN协议保持向后兼容，可以与旧的设备共存。更好的性能CANFD协议提高了抗干扰能力，并减少了错误率，确保了数据传输的可靠性。CANFD协议的帧结构CANFD协议的帧结构与标准CAN协议的帧结构相似，但进行了扩展，以支持更高的数据速率和更大的数据负载。CANFD协议的帧结构主要包括以下部分：起始符仲裁域控制域数据域CRC校验域ACK域结束符CANFD协议的优势更高的数据传输速率CANFD协议支持更高的数据速率，例如，高达8Mbps，而传统的CAN协议通常限制在1Mbps以下。更大的数据负载CANFD协议可以传输更大的数据负载，支持最大64字节的数据帧，而传统的CAN协议仅支持8字节的数据帧。更强的通信能力CANFD协议可以实现更高效的通信，支持更复杂的应用，例如，支持更多传感器和执行器，以及更复杂的控制算法。CAN总线网络的构建1节点定义定义每个节点的CANID、数据类型和发送接收数据2总线连接通过双绞线将各个节点连接到CAN总线上3物理层配置设置总线类型、通讯速率和终端电阻4软件配置配置CAN驱动程序和通信协议构建CAN总线网络需要遵循一定的步骤，首先需要定义每个节点的CANID、数据类型和发送接收数据。然后，将各个节点通过双绞线连接到CAN总线上。接着，根据实际应用场景，配置总线类型、通讯速率和终端电阻。最后，还需要配置CAN驱动程序和通信协议，以实现节点之间的通信。CAN网络中的节点配置节点地址分配每个节点在CAN网络中具有唯一的地址，用于识别和区分不同的设备。数据帧格式每个节点发送和接收的数据帧都遵循特定的格式，确保数据传输的准确性和可靠性。通信模式配置根据实际应用需求，节点可以配置为发送、接收或双向通信模式，实现不同功能的协作。错误处理机制节点具有错误检测和处理机制，确保网络的稳定运行，并提供故障诊断和修复的能力。CAN网络中的故障诊断11.错误帧检测CAN控制器会检测错误帧，如位错误、格式错误、校验错误等，并记录错误计数器。22.错误被动模式当错误计数器超过一定阈值时，节点进入被动模式，停止发送数据，并监控总线。33.错误主动模式当总线上出现错误时，节点进入主动模式，发送错误帧，并尝试恢复正常通信。44.故障隔离通过错误帧和错误计数器，可以识别故障节点并将其隔离，保证其他节点正常通信。CAN网络的工程实践硬件选择选择合适的CAN控制器、收发器和总线终端电阻，确保符合实际需求。根据应用场景和通信速率选择相应的硬件，并进行合理的配置。软件开发利用CANAPI进行应用程序开发，实现数据收发