《CAN总线协议详解》课件

CAN总线协议详解byCAN总线协议简介控制器局域网络CAN总线协议是一种用于汽车电子控制系统的数据通信协议，由博世公司于1983年提出。多点广播通信CAN总线使用多点广播通信方式，允许多个节点同时收发信息，无需中央控制器协调。实时性强CAN总线具有很高的实时性和可靠性，能够满足汽车电子系统对数据传输的严苛要求。CAN总线的特点高可靠性CAN总线采用差分信号传输，抗干扰能力强。支持错误检测和纠正机制，确保数据传输的可靠性。多节点通信CAN总线支持多个节点连接，可以实现节点之间的广播和点对点通信，提高系统效率。实时性强CAN总线采用优先级机制，优先级高的报文可以优先得到处理，确保实时性要求。CAN总线的帧结构CAN帧结构是CAN总线通信的基本单元。它由多个字段组成，每个字段都有特定的含义和功能。起始符：表示数据帧的开始仲裁域：用于标识发送节点和数据优先级控制域：包含数据长度和数据类型信息数据域：包含实际要传输的数据内容CRC校验域：用于检测数据传输过程中的错误ACK域：确认数据是否已成功接收结束符：表示数据帧的结束CAN总线帧类型数据帧用于传输实际数据，包含数据域，标识符域和控制域。远程帧用于请求接收数据帧，标识符域和控制域与数据帧相同，但没有数据域。错误帧用于标识错误，由节点发出，用来提醒网络中的其他节点。超载帧用于标识数据接收缓冲区已满，用来提醒发送节点停止发送数据。CAN帧格式分析起始符表示帧的开始，为一个显性位，为11位。仲裁域用于确定优先级，长度为11位。控制域用于标识数据类型和长度，长度为6位。数据域用于存储传输的数据信息，长度为0-8字节。CRC校验域用于校验数据域的完整性，长度为15位。ACK域用于确认接收方的接收状态，长度为1位。帧结束符表示帧的结束，为一个显性位，为11位。CAN帧仲裁过程1仲裁开始当多个节点同时发送数据帧时，仲裁过程开始。节点会比较彼此的标识符（ID）以确定哪个节点具有最高的优先级。2位比较仲裁过程从最高有效位(MSB)开始，逐位进行比较。每个节点将自己的ID与其他节点的ID进行比较。3优先级判定如果两个节点的ID位相同，则继续比较下一位。当两个节点的ID位不同时，ID值较小的节点拥有更高的优先级并继续发送数据帧。4仲裁结束当一个节点赢得仲裁后，其他节点停止发送数据帧，并将自己的总线状态设置为接收模式，以便接收获胜节点发送的数据帧。CAN仲裁规则1优先级CAN总线采用**位优先级**，即ID值越小，优先级越高。2仲裁过程当多个节点同时发送数据时，通过比较ID值，优先级最高的节点获胜，其数据被发送到总线上。3仲裁机制采用**非破坏性仲裁**，所有节点都参与仲裁过程，但只有获胜节点继续发送数据。CAN错误处理机制错误检测CAN总线使用CRC校验码来检测数据传输过程中的错误。CRC校验码是一种常用的数据校验技术，可以有效地检测数据传输过程中的错误。错误处理当检测到错误时，CAN总线会采取相应的错误处理措施。错误处理机制包括：错误帧、错误计数器、错误标志位等。错误恢复如果错误发生在数据帧的接收过程中，则接收节点会丢弃该数据帧。如果错误发生在数据帧的发送过程中，则发送节点会重发数据帧。CAN状态机分析CAN控制器内部运行着复杂的状态机，控制着通信过程的各个阶段。状态机通过接收和发送信号、处理错误等操作，实现可靠的数据传输。CAN总线信号传输CAN总线采用非对称的半双工通信方式，即同一时间内，只有一台设备可以发送数据。数据传输过程包括：发送节点将数据封装成CAN帧，通过CAN总线发送到接收节点。CAN总线收发器信号转换将CAN总线上的差分信号转换为单端信号，反之亦然。保护功能保护CAN总线免受外部干扰，例如静电放电和瞬态电压。传输速率支持不同的传输速率，例如1Mbps、500kbps等。CAN总线电平分析电平状态高电平逻辑1低电平逻辑0CAN总线物理层物理层定义CAN总线的物理层定义了总线上的信号传输方式、电气特性和物理连接方式。它负责将数据信号转换成电信号，并在总线上进行传输。信号传输方式CAN总线采用差分信号传输方式，即数据信号通过两条信号线传输，一条为正极信号线，另一条为负极信号线。信号通过两条信号线之间的电位差来表示。电气特性CAN总线定义了信号的电压范围、上升和下降时间、最大传输速率等电气特性，确保信号能够可靠地传输。CAN收发器中的终端电阻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。2信号衰减终端电阻可以吸收信号传输过程中的能量，减少信号衰减。3信号完整性终端电阻可以改善信号的完整性，提高通信可靠性。CAN通信过程分析1数据发送节点将数据打包成CAN帧，发送到总线上。2仲裁过程多个节点同时发送数据时，通过仲裁过程确定优先级。3数据接收目标节点接收数据，并根据帧ID进行识别和处理。CAN通信过程是一个复杂的流程，涉及数据发送、仲裁过程、数据接收等多个环节。在发送数据时，节点需要将数据打包成CAN帧，并将帧发送到总线上。如果多个节点同时发送数据，则需要通过仲裁过程来确定数据的优先级。最后，目标节点接收数据，并根据帧ID识别和处理数据。整个过程需要严格遵守CAN协议规范。CAN协议的时间参数11位时间8重传次数3数据帧类型2错误帧类型CAN协议中定义了一些时间参数，用于控制数据传输的时序。这些参数对CAN网络的性能和可靠性至关重要。CAN通信过程中的时间参数CAN总线负载分析节点数量CAN总线上的节点数量会影响总线的负载。节点越多，总线的负载就越大。数据传输速率数据传输速率越高，总线的负载就越大。因为数据传输速率越高，总线上的数据量就越大。报文长度报文长度越长，总线的负载就越大。因为报文长度越长，总线上传输的数据量就越大。CAN系统拓扑分析星型拓扑所有节点都连接到一个中央节点，简单易于管理，但中心节点故障会导致整个网络瘫痪。总线型拓扑所有节点都连接到一条公共总线上，成本低，但节点数量受限，且发生故障时不易定位。树型拓扑节点通过分层结构连接到主节点，可以扩展节点数量，但需要较复杂的管理。CAN总线网络设计节点数量确定网络中连接的设备数量，并考虑未来扩展的可能性。数据传输速率根据应用需求选择合适的传输速率，以满足实时性和可靠性要求。网络拓扑结构选择适合的拓扑结构，例如总线型、星型或树型，以优化网络性能。CAN网络的设备选型CAN收发器选择合适的CAN收发器芯片，确保信号传输稳定可靠。CAN控制器选择性能和功能符合需求的CAN控制器，并考虑其与其他模块的兼容性。CAN接口板根据实际应用场景，选择合适的CAN接口板，例如带有CAN收发器芯片的接口板。CAN软件设计实现1驱动层负责与CAN硬件进行交互2协议栈实现CAN协议的解析和封装3应用层负责CAN报文的发送和接收CAN软件设计实现通常采用分层架构，根据功能和抽象层次进行划分。驱动层负责与CAN硬件进行交互，协议栈负责实现CAN协议的解析和封装，应用层负责CAN报文的发送和接收，并与上层应用程序进行交互。CAN软件协议栈物理层负责数据在物理介质上的传输，包括信号的发送和接收。数据链路层负责数据的帧格式化、帧的发送和接收、错误检测和纠正。网络层负责网络路由和寻址，用于确定数据传输的路径。应用层负责与用户应用程序交互，提供数据发送和接收的接口。CAN报文调度算法优先级调度根据报文的优先级进行调度，高优先级报文优先发送。时间片轮询每个报文分配一个固定时间片，轮流发送报文，保证公平性。循环调度按照预先定义的顺序循环发送报文，适用于周期性任务。CAN网络的故障诊断错误帧检测识别并分析CAN总线上的错误帧，确定错误类型和发生位置。节点状态监控监测CAN节点的通信状态，如节点是否处于正常工作状态、是否处于休眠状态等。数据完整性验证验证接收到的CAN报文数据是否完整，确保数据传输的可靠性。通信性能分析分析CAN网络的通信性能，如数据传输速率、延迟、丢包率等。CAN总线网络诊断工具CANalyzer用于CAN总线网络的分析和调试。CANoe支持多种协议和功能，包括CAN、LIN、FlexRay等。VectorCANoe提供完整的开发和测试环境，包括仿真、测试和分析功能。CAN协议的标准版本CAN2.0A:基于经典CAN协议，定义了两种帧格式：标准帧和扩展帧。CAN2.0B:扩展了CAN2.0A的协议，增加了新的时间触发通信机制。CANFD:高速CAN，提高了数据传输速率，增加了数据帧长度。CAN协议的应用领域汽车电子汽车电子是CAN总线协议应用最广泛的领域，包括发动机控制、变速箱控制、安全系统、车身电子等。工业自动化CAN总线在工业自动化领域也得到了广泛应用，例如机器人控制、PLC控制、传感器网络等。医疗设备CAN总线在医疗设备领域也得到广泛应用，例如医疗仪器控制、远程医疗等。CAN总线技术的发展趋势更高速度随着汽车电子系统复杂度的不断提升，对数据传输速度的要求也越来越高。未来CAN总线技术将朝着更高速度的方向发展，以满足日益增长的数据传输需求。更强安全性随着汽车安全性的重要性日益凸显，未来CAN总线技术将更加注重安全性，例如引入更强大的加密算法和安全机制，以防止网络攻击和数据泄露。更高可靠性为了保证汽车电子系统的高可靠性，未来CAN总线技术将不断提升可靠性，例如引入更先进的容错机制和冗余备份机制，以确保系统稳定运行。总结与