《CAN总线物理层》课件资料

CAN总线物理层本课程将深入探讨CAN总线物理层的核心知识，为您提供全面而深入的理解。课程简介与目标课程目标1.了解CAN总线物理层的定义、作用和重要性。2.掌握ISO11898标准系列和CAN物理层的主要功能。3.理解差分信号传输原理、位时序和电平标准。4.学习CAN总线的拓扑结构、终端电阻和收发器芯片。5.掌握CAN总线物理层的设计、电磁兼容性、故障诊断和可靠性设计。6.了解CAN总线的安全性设计、与其他总线的比较和未来发展趋势。学习目标通过本课程的学习，您将能够：1.独立设计和调试CAN总线系统。2.解决CAN总线物理层常见的故障问题。3.理解CAN总线物理层的最新发展趋势。4.将所学知识应用于实际工程项目中。CAN总线概述1定义控制器局域网络（ControllerAreaNetwork，CAN）是一种串行通信协议，用于在不同电子控制单元（ECU）之间实现数据传输。2特点1.高速率、低成本、低功耗。2.支持多节点、多主通信。3.抗干扰能力强，安全性高。3应用广泛应用于汽车电子、工业自动化、航空航天等领域。CAN总线的发展历程11983年博世公司提出CAN总线概念。21986年发布第一个CAN总线标准。31991年CAN总线被国际标准化组织（ISO）采纳。42012年发布CANFD标准，提高数据传输速率。52020年发布CANXL标准，扩展数据传输范围和带宽。CAN总线的应用领域汽车电子发动机控制、变速箱控制、安全系统、车身控制、信息娱乐系统等。工业自动化机器人控制、自动化生产线、设备监控、过程控制等。航空航天飞行控制、导航系统、通信系统、发动机控制等。医疗设备医疗影像设备、生命体征监测仪、药物输送系统等。CAN总线的优势与特点高速率CAN总线支持高达1Mbit/s的数据传输速率，满足实时性要求。低成本CAN总线的硬件和软件成本较低，易于实现。多节点通信支持多个节点连接到同一总线上，实现灵活的数据传输。抗干扰能力强CAN总线采用差分信号传输，抗电磁干扰能力强。CAN总线协议栈1应用层负责应用程序接口，处理用户数据。2网络层负责网络管理、路由、数据帧格式等。3数据链路层负责数据帧的组装、拆解、错误检测等。4物理层负责信号传输和编码解码。物理层的作用与重要性作用1.将物理信号转换为电气信号，反之亦然。2.确保信号在总线上传输的可靠性和完整性。3.协调各个节点之间的数据传输顺序。重要性1.物理层是整个CAN总线系统通信的基础，决定着通信的效率、可靠性和安全性。2.物理层设计的好坏直接影响着系统的性能和稳定性。物理层标准简介1ISO11898标准系列定义了CAN总线的物理层标准，包括信号传输、电气特性、拓扑结构等。2CAN2.0标准适用于低速率、短距离应用。3CANFD标准提高数据传输速率，适用于高速率应用。4CANXL标准扩展数据传输范围和带宽，适用于更复杂的应用。ISO11898标准系列1ISO11898-1:2015定义了CAN总线的数据链路层和物理层。2ISO11898-2:2016定义了CAN总线的低速率物理层。3ISO11898-3:2003定义了CAN总线的高速率物理层。4ISO11898-4:2004定义了CAN总线的故障诊断方法。5ISO11898-5:2013定义了CAN总线的电磁兼容性。CAN物理层的主要功能信号传输将数据信号转换为电信号进行传输。1编码解码对数据信号进行编码和解码，确保数据传输的完整性和可靠性。2位同步确保各个节点之间的时间同步，保证数据传输的准确性。3电平匹配确保信号在传输过程中的电平一致性，避免信号失真。4故障检测检测信号传输过程中的错误，并采取相应的措施。5信号传输与编码信号传输CAN总线采用差分信号传输，即通过两根导线传输信号，信号的电压差代表数据。编码CAN总线使用非归零码（NRZ）进行编码，即逻辑“1”对应高电平，逻辑“0”对应低电平。差分信号传输原理2导线CAN总线使用两根导线传输信号，分别称为CAN_H和CAN_L。2电压差信号的电压差代表数据，而不是单根导线的绝对电压。差分信号的优势抗干扰能力强差分信号传输不受共模噪声的影响。传输距离远差分信号传输能够抑制信号衰减，延长传输距离。数据传输可靠差分信号传输能够有效地检测和纠正传输过程中的错误。CAN总线的位时序1同步段用于接收节点与发送节点同步时间。2采样点接收节点根据采样点判断数据位的状态。3数据段发送节点传输数据位的时段。4间隙段用于相邻数据位之间的间隔。位时序的组成同步段由一个同步跳变和一个上升沿组成，用于同步时间。传播延迟段用于补偿信号传输延迟，保证同步。相位段用于调整采样时间，提高数据传输的可靠性。数据段发送节点传输数据位的时段，长度可根据实际需求调整。位同步与采样位同步接收节点根据同步跳变进行位同步，确保与发送节点时间一致。采样接收节点在采样点根据电压差判断数据位的状态，确定是逻辑“1”还是逻辑“0”。CAN总线的电平标准CAN_H高电平，逻辑“1”。CAN_L低电平，逻辑“0”。CAN_H和CAN_L的定义2.5CAN_H当CAN_H相对于CAN_L电压高于2.5V时，表示逻辑“1”。2.5CAN_L当CAN_L相对于CAN_H电压低于-2.5V时，表示逻辑“0”。共模电压范围定义共模电压是指CAN_H和CAN_L导线的平均电压。范围CAN总线的共模电压范围一般在-2.5V到+2.5V之间。CAN总线的拓扑结构总线型拓扑结构特点所有节点共享一条总线，数据广播传输。优势1.实现简单，成本低。2.易于扩展，增加节点无需修改总线。星型拓扑结构特点所有节点连接到一个中心节点，数据通过中心节点进行转发。优势1.抗干扰能力强，提高可靠性。2.方便管理和维护，可集中监控节点。其他拓扑结构树型结构适用于层次化结构的应用。混合型结构结合多种拓扑结构，满足不同应用需求。CAN总线的终端电阻定义终端电阻是安装在总线两端的电阻，用于吸收信号反射，提高信号传输的可靠性。作用1.抑制信号反射，防止信号失真。2.降低总线上的噪声，提高信号质量。终端电阻的作用抑制信号反射当信号到达总线末端时，会发生反射，终端电阻可以吸收反射信号。降低总线噪声终端电阻可以吸收总线上的噪声，提高信号质量。提高信号完整性终端电阻可以提高信号的传输质量，确保数据传输的可靠性。终端电阻的取值1120欧姆最常用的终端电阻取值，适用于大多数CAN总线系统。260欧姆适用于高速率、长距离应用。3其他取值根据实际应用需求选择合适的终端电阻取值。CAN收发器芯片简介定义CAN收发器芯片是连接CAN总线和ECU的桥梁，用于将逻辑信号转换为物理信号，反之亦然。功能1.将逻辑“1”和逻辑“0”转换为CAN总线上的电平信号。2.将CAN总线上的电平信号转换为逻辑“1”和逻辑“0”。3.提供隔离功能，保护ECU不受总线上的噪声影响。收发器芯片的功能1信号转换将逻辑信号转换为物理信号，反之亦然。2电平转换将逻辑电平转换为CAN总线的电平标准。3隔离保护隔离ECU和总线，避免总线上的噪声影响ECU。4故障检测检测信号传输过程中的错误，并采取相应的措施。收发器芯片的选型工作电压根据ECU的工作电压选择合适的收发器芯片。传输速率根据CAN总线的数据传输速率选择合适的收发器芯片。隔离电压根据应用需求选择合适的隔离电压。封装形式根据PCB板的设计选择合适的封装形式。CAN总线的物理层设计1电路板布局1.将CAN总线走线布局在电路板的边缘，远离其他信号线。2.避免CAN总线走线与电源线、地线平行，防止耦合干扰。2走线宽度根据传输速率和信号完整性要求选择合适的走线宽度。3终端电阻根据总线长度和传输速率选择合适的终端电阻。4收发器芯片根据应用需求选择合适的收发器芯片。设计考虑因素传输速率根据应用需求选择合适的传输速率，并根据传输速率设计电路板。信号完整性确保信号在传输过程中的完整性，避免信号失真。噪声抑制设计电路板时需要考虑噪声抑制，防止噪声影响信号传输。电磁兼容性设计电路板时需要符合电磁兼容性标准，确保系统稳定工作。可靠性设计电路板时需要考虑可靠性，确保系统稳定运行。噪声抑制与抗干扰噪声抑制1.使用屏蔽线或差分线降低噪声干扰。2.使用滤波器抑制特定频率的噪声。3.选择抗噪声性能好的收发器芯片。抗干扰1.采用差分信号传输，提高抗干扰能力。2.合理设计电路板布局和走线，避免干扰。3.使用金属屏蔽层减少外部干扰。CAN总线的电磁兼容性1EMC测试用于测试设备是否符合电磁兼容性标准，确保设备能够正常工作而不影响其他设备。2EMC标准ISO7637-2标准定义了CAN总线的电磁兼容性要求，确保设备在电磁环境中的稳定运行。3EMC测试方法包括辐射发射测试、辐射敏感性测试、传导发射测试、传导敏感性测试等。EMC测试与标准辐射发射测试测试设备在工作状态下，辐射出的电磁场是否符合标准。辐射敏感性测试测试设备在工作状态下，受到外部电磁场辐射的影响程度。传导发射测试测试设备在工作状态下，通过电源线或信号线传导出的电磁场是否符合标准。传导敏感性测试测试设备在工作状态下，受到外部电磁场通过电源线或信号线传导进来的影响程度。降低电磁干扰的方法屏蔽使用屏蔽线或金属屏蔽层隔离干扰源。滤波使用滤波器抑制特定频率的噪声。接地采用良好的接地设计，减少共模噪声的影响。走线布局合理设计走线布局，避免信号线之间的耦合干扰。收发器选型选择抗干扰能力强的收发器芯片。CAN总线的故障诊断1故障类型1.数据传输错误。2.网络连接错误。3.收发器芯片故障。4.总线短路或开路。2诊断工具1.CAN总线分析仪。2.CAN总线示波器。3.CAN总线诊断软件。3诊断方法1.检查总线上的信号波形。2.分析数据传输错误码。3.测试节点的连接状态。4.检查收发器芯片的工作状态。常见故障类型数据传输错误数据帧出现错误，导致数据传输失败。网络连接错误节点无法连接到总线，导致无法通信。收发器芯片故障收发器芯片损坏，导致无法将逻辑信号转换为物理信号。总线短路或开路总线出现短路或开路，导致无法正常传输数据。故障诊断工具CAN总线分析仪用于监测CAN总线上的数据传输，并分析数据帧的格式和内容。CAN总线示波器用于观察CAN总线上的信号波形，判断信号传输是否正常。CAN总线诊断软件用于分析CAN总线上的数据，识别故障并进行诊断。故障排除技巧检查连接确保所有节点都连接到总线上，并且连接线没有断裂或松动。检查终端电阻检查终端电阻是否安装正确，并且阻值是否符合要求。检查收发器芯片检查收发器芯片是否损坏，并测试其工作状态。检查信号波形使用示波器观察CAN总线上的信号波形，判断信号传输是否正常。分析错误码分析数据传输错误码，识别故障类型并进行排查。CAN总线的可靠性设计冗余设计采用双冗余或多冗余设计，提高系统的可靠性，即使某个节点发生故障，系统也能正常运行。容错机制设计容错机制，即使系统发生故障，也能自动恢复正常工作状态，提高系统的稳定性。冗余设计2硬件冗余使用多个相同的硬件模块，例如多个收发器芯片，即使某个模块发生故障，其他模块也能正常工作。2软件冗余使用多个相同的软件模块，例如多个数据传输协议，即使某个模块发生故障，其他模块也能正常工作。容错机制1错误检测使用校验码或其他机制检测数据传输过程中的错误。2错误重传当检测到错误时，重传数据，确保数据传输的可靠性。3故障隔离隔离发生故障的节点，防止故障影响其他节点。CAN总线的安全性设计安全认证机制对数据进行认证，确保数据来自可信源，防止数据被篡改或伪造。数据加密技术对数据进行加密，防止数据被窃取或破解。安全认证机制1消息认证码（MAC）使用密钥对数据进行加密，生成MAC码，接收方使用相同的密钥验证MAC码的有效性。2数字签名使用私钥对数据进行签名，公钥可以验证签名的有效性，确保数据来源可信。数据加密技术对称加密使用相同的密钥进行加密和解密，速度快，但密钥管理难度大。非对称加密使用不同的密钥进行加密和解密，安全性高，但速度慢。CAN总线与其他总线的比较与LIN总线比较LIN总线低成本、低速率总线，主要用于汽车电子中一些非关键的控制单元之间的通信。CAN总线高速率、高可靠性总线，主要用于汽车电子中一些关键的控制单元之间的通信。与以太网比较以太网高速率、高带宽网络，主要用于数据传输和网络通信。CAN总线实时性强、抗干扰能力强，主要用于控制系统和自动化系统中的通信。与其他总线比较RS-232串行通信协议，速度慢，传输距离短。RS-485串行通信协议，速度较快，传输距离较远。SPI同步串行通信协议，速度快，主要用于短距离通信。I2C同步串行通信协议，速度较慢，主要用于短距离通信。CAN总线的未来发展趋势1CANFD提高数据传输速率，适用于高速率应用。2CANXL扩展数据传输范围和带宽，适用于更复杂的应用。3CAN总线与其他总线融合与以太网等其他总线融合，提高系统的整体性能。CANFD特点1.提高数据传输速率，最高可达8Mbit/s。2.支持更长的数据帧，最大可达64字节。3.兼容CAN2.0标准。应用适用于高速率、高带宽的应用，例如自动驾驶、电动汽车和工业自动化。CANXL特点1.扩展数据传输范围和带宽，最大可达10Mbit/s。2.支持更长的数据帧，最大可达2048字节。3.兼容CANFD和CAN2.0标准。应用适用于更复杂的应用，例如自动驾驶、电动汽车和工业自动化。总结与回顾1物理层概述介绍了CAN总线物理层的定义、作用和重要性。2标准与功能讲解了ISO11898标准系列和CAN物理层的主要功能。3信号传输与编码深入阐述了差分信号传输原理、位时序和电平标准。4拓扑结构与设计分析了CAN总线的拓扑结构、终端电阻和收发器芯片，并介绍了物理层设计方法。5可靠性和安全性重点讲解了CAN总线的故障诊断、可靠性设计和安全性设计。6未来发展趋势展望了CAN总线的未来发展趋势，包括CANFD和CANXL标准。重点知识回顾1差分信号传输差分信号传输的原理、优势和应用场景。2位时序位时序的组成、同步段、采样点、数据段和间隙段。3CAN总线的电平标准CAN_H和CAN_L的定义和共模电压范围。4CAN总线的拓扑结构总线型拓扑结构、星型拓扑结构和其他拓扑结构的特点。5终端电阻的作用终端电阻的作用、取值和应用场景。6CAN收发器芯片收发器芯片的功能、选型和应用场景。7CAN总线的物理层设计电路板布局、走线宽度、终端电阻和收发器芯片选择。8噪声抑制和抗干扰降低电磁干扰的方法，包括屏蔽、滤波、接地和走线布局。9CAN总线的可