1、车载网络技术,课程章节及学时分配,第一章 绪论 （张洪坤 6学时） 第二章 CAN总线技术 （张洪坤 10学时） 第三章 LIN总线技术 （曹晓琳 4学时） 第四章 MOST多媒体网络 （曹晓琳 4学时） 第五章 FlexRay总线技术 （宋大凤 6学时） 第六章 汽车总线网路结构及应用 （宋大凤 2学时）,1. 秦贵和，车上网络技术 机械工业出版社 2003.6 2. 胡思德，汽车车载网络技术详解 机械工业出版社 2006.6 3. 付百学，胡胜海，汽车车载网络技术 机械工业出版社 2012.3,参 考 书,吉林大学,第一章 绪论 第二章 CAN总线技术 第三章 LIN总线 第四章 MOST
2、多媒体网络 第五章 FlexRay总线技术 第六章 汽车总线网路结构及应用,第一章 绪 论,主要内容,1.1 计算机网络基础知识 1.2 总线网络结构与原理 1.3 汽车网络技术概述,汽车上应用网络技术的必要性,汽车上电控装置的增多，使连接这些装置的线路越来越复杂，造成线束庞大，布线困难； 线路和接头的增加成为安全问题的巨大隐患； 难于维护。 在这种情况下，减少线束成为一个必须要解决的问题。因此网络通信技术成为必然的选择。,汽车上应用网络技术的必要性,在汽车上将越来越多地使用线控技术（XBW)，线控系统在人机接口、执行机构和传感机构之间以及其他系统之间要进行大量信息传输，即线控技术是以网络通信
3、为基础的，而基于串行通信的网络技术是实现这种通信功能的最佳结构。,汽车上应用网络技术的必要性,未来汽车上应能提供任何办公室或家庭中的网络信息服务，在智能交通系统中，一个汽车应具有接收和提供相关信息的功能，完成这些功能需要很强的通信能力和数据共享能力，因此要用到汽车网络技术。,汽车上应用网络技术的必要性,计算机网络的定义 计算机网络定义为“以相互共享资源(硬件、软件和数据等方式)和计算机间传输信息为目的而连接起来、且各自具备独立功能的计算机系统之集合”。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,“广义的”计算机网络 在协议控制下由两台或两台以上计算机、若干台终端设备、数据传输设备以及便于终端
4、和计算机之间或者若干台计算机之间数据流动的通信控制处理机等所组成的系统之集合。这个定义表明计算机网是在协议控制下通过通信系统来实现计算机之间的连接。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,计算机网络的类型 按跨度分类 局域网（Local Area Network, LAN） 局域网是在一个有限区域内连接的计算机网络，是最常见、应用最广的一种网络，特点是连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。汽车上的网络是多个局部网络的互联结构。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,城域网（Metropolitan Area Network，MAN）
5、 是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。连接距离可以在10-100公里。与LAN相比扩展的距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。在一个大型城市或都市地区，一个MAN网络通常连接着多个LAN网。如连接政府机构、医院、电信、公司企业的LAN等。,广域网（Wide Area Network, WAN）： 广域网也称为远程网，可以覆盖一个国家、一个地区或横跨几个洲，形成国际性的计算机网络。广域网通常可以利用公用网络（如公用数据网、公用电话网、卫星通信等）进行组建，将分布在不同国家和地区的计算机系统连接起来，达到资源共享的目的。广域网的连线距离极长，因此信息
6、衰减比较严重，连接速度通常低于局域网或城域网，使用的设备也相当昂贵。,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,按用途分类 公共网络：是向社会开放的网络体系 专用网络：是由学校、机关、政府部门或公司等组建， 不允许其他部门和单位使用的网络。,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,按拓扑结构分类 星型网 在星型拓扑构型中，节点通过点到点通信线路与中心节点连接。任何两节点之间的通信都要通过中心节点。,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,特点： 结构简单，易于实现，便于管理； 通信功能简单，可以根据需要由中心处理机分时或按优先权排队进行处理； 中心处理机负载过重，扩充困难；,第一章
7、绪 论,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,每台入网计算机均需与中心处理机有线路直接互连，因此线路利用率低，信道容量浪费较大； 可靠性对中心机敏感，中心节点的故障可能造成全网瘫痪； 由于应用汽车网络的目的之一就是简化线束，所以这种结构不可能成为整车网络的结构，但有可能在一个部件或总成上使用。,总线型网 是从计算机的总线访问控制发展而来的。采用称为公共总线的传输介质，将各计算机直接与总线连接，信息沿总线介质逐个节点广播传送。,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,特点： 由一条总线连接入网计算机，所以信道利用率较高； 网络长度和网络节点数受传输延时、驱动
8、能力及访问机制的限制； 适合于传输距离较短、节点数不是很多的情况；,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,由于所有的入网计算机共用一条传输信道，因此总线型网的一个特殊问题就是信道的访问控制权的分配，并由此产生一系列处理机制； 分时访问总线； 目前，局域网多采用此种方式,汽车上的网络多采用这种结构，尤其是低端网络。,1.1 计算机网络基础知识,环型网 环形网络是指入网节点通过网络部件连到一个环形物理链路中。整个网络发送的信息就是在这个环中传递，通常把这类网络称之为“令牌环网“。,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,特点： 由于一次通信信息在网中传输最大时间是固定的，
9、因此实时性较高； 每个网上节点只与其他相邻两个节点有物理链路直接互连，因此传输控制机制较为简单； 一个节点出故障可能会终止全网运行，因此可靠性较差；,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,由于汽车上线控技术要求实时性好的网络系统，有一些车载网络系统支持这种结构。 环型网由于其点一点通信路由的唯一性，因此，不宜在广域范围内组建计算机网络。它是一种较为实用的局域网拓扑结构，尤其是在实时性要求较高的环境。,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,树型网 由多个星型网络构成的网 络称为多级星型网络，多级 星型网络按层次方式排列即 形成树型网络。,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,特
10、点： 树型结构网是分级的集中控制式网络； 与星型网络相比，其通信线路总长度短，成本较低，节点易于扩充， 除叶节点及其相连的线路外，任一节点及其相连的线路故障都会使系统受到影响。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,计算机网络的功能 资源共享 网络中的计算机不仅可以使用本机的资源，还可以使用网络中其他计算机的资源。资源共享提高了网络中软、硬件的利用率，增强了网络中计算机的处理能力，这是计算机网络最主要的功能。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,数据通信 通过网络可以实现终端、计算机与计算机之间的高速可靠地传送数据并进行信息处理，利用这
11、一特点，可将分散在各个地区的单位或部门用计算机网络联系起来，进行统一的调配、控制和管理。这是计算机网络最基本的功能。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,均衡负载互相协作 当某台计算机负担过重时，或该计算机正在处理某项工作时，网络可将新任务转交给空闲的计算机来完成，以均衡各计算机的负载，提高处理问题的实时性。通过网络可以缓解用户资源缺乏的矛盾，使各种资源得到合理的调整。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,分布处理 对大型综合性问题，可将问题各部分交给不同的计算机分头处理，即通过网络将问题分散到多个计算机上进行分布式处理，可以充分利用网络资源，扩大计算机的处理能力，增强实用性，
12、同时也可使各地的计算机通过网络资源共同协作，进行联合开发、研究等。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,提高计算机的可靠性 将计算机连成网络后，网络中各个计算机互为后备，这样网络可靠性会大大增高。当某一处计算机发生故障时，可由别处的计算机代为处理，还可以在网络节点上设置备用设备作为全网络公用后备，这样，整个计算机网络就不会由于某台设备出现故障而瘫痪，大大提高了计算机网络系统的可靠性和可用性。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,计算机网络中的一些基本概念 节点：是网络活动的核心组成部分，包括终端节点和中间节点。终端节点一般是网络连接的应用系统和设备，他们利用网络发送或接收信息；
13、中间节点提供信息的转送服务、信息流量控制等网络服务功能。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,计算机网络拓扑结构 (Topology) 所谓网络拓扑结构是指网络的链路和节点在地理上所形成的几何结构或物理布局。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,报文 (message) 是网络中信息交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长度可变，报文传输过程中会不断的封装成分组、包、帧来传输，封装的方式就是添加一些信息段。可以将其看成是按照一定格式组织起来的数据。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,帧（Frame） 是独立的网络信息传
14、输单元，是网络传输的最小单位 。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,协议：协议可定义为在两实体间控制信息交换的规则之集合。即在通信内容、怎样通信以及何时通信等方面，两个实体要遵从相互可以接受的一组约定和规则。这些约定和规则的集合称为协议。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,协议三要素：一个通信协议通常对语法、语义和定时三个方面进行约定 语法：确定通信双方之间“如何讲”，即由逻辑说明构成，要对信息或报文中各字段格式化，说明报头字段、命令和应答的结构等； 语义：确定通信双方之间“讲什么”，即由过程说明构成，要对发布请求、执行动作以及返回应答予以解释，并确定用于协调和差错处理的控
15、制信息； 定时规则：指出事件的顺序以及进度匹配、排序。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,计算机网络信息的传送方式 电路交换 电路交换就是两台计算机在相互通信时使用一条实际的物理链路，并在通信中自始至终使用该条线路进行信息传输，且不许他机共享该线路的信道容量。电路交换事实上来源于公共电话交换网，由于这种网的实用性和地域的宽广性，早期的计算机通信几乎都使用电路交换方式。,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,报文交换 当发送方有数据发送时，就将数据按一定格式构成数据块，即报文，然后发送出去，相邻的转接交换机收到这个报文后先存储这个报文，当这个报文传输所需的链路空闲时就将它转发出去
16、，直到到达接收端。这也就是存储-转发方式，与信件的邮递方式相似。,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,分组交换 发送端将所要发送信息拆成一个个分组发送出去，转接交换机每次转发的是一个分组(而不像报文交换那样是一整段有意义的信息)、接收端把接收到的分组再逐段组装成报文。这种方式既增加了通信线路利用率，又提高了数据通信的实时性，但报文的组装和拆卸以及各分组在网络上的传输都要进行附加的管理，这增大了网络开销。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,传输速率 单位时间传输的信息表明网络传输的速度，一般用单位时间传输的二进制位数表示。单位时间传输的二进制位数称为波特率，单位为bps（bit
17、 per second）。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,网络访问的触发方式 按照节点访问网络的触发方式，网络协议可以分为基于时间触发的通信协议和基于事件触发的通信协议。 在时间触发协议（TTP，Time Triggered Protocol）中，按一定规则安排每个节点发送信息的时刻和信息发送的延续时间。这种方式信息传送延时抖动小，实时性好。特点是网络事件发生的时间可以预知。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,在事件触发协议（ETP，Event Triggered Protocol）中，节点在需要发送信息或请求发送信息时，才启动网络访问过程，否则处于接收状态。在一个节点
18、要发送信息时，可能有信息在占用总线，或者有优先级高的信息要发送。因此，使用这种方式，节点从有数据要发送到接收节点接收到数据的延时有很大的不确定性，实时性差。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,串行通信 串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并-串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖面极其广阔的公用电话系统来说具有更大的现实意义。车上网络,吉林大学,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论
19、,介质访问控制方式 带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD） CSMA/CD是采用争用技术的一种介质访问控制方法 载波监听（carrier sense）:网络上各个工作站在发送数 据前都要监听总线上有没有数据传输。若有数据，则不发 送数据；若无数据传输，则立即发送准备好的数据。 多路访问（multiple access）:网络上的所有工作 站使用同一条总线收发数据，且发送数据是广播式的。,吉林大学,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,冲突（collision）: 若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，工作站都辨别不出真正的数据是什么。这种情况称为数
20、据冲突。为了减少冲突发生，工作站在发送数据过程中还要不停地检测自己发送的数据，有没有在传输过程中与其他工作站的数据发生冲突，这就是冲突检测（collision detected）。可将CSMA/CD形象地概括为用先听后发/边听边发的方法来共享传输介质。CAN总线,吉林大学,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,CSMA/CD方式的数据接收过程相对简单：网上每个节点都监听媒体，如果有信号传输，则收集信息，得到帧；节点分析和判断帧中的接收地址；如果接收地址为本节点地址，复制接收该帧；否则，丢弃该帧。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,令牌环（Token Ring）访问控制 通过在环
21、型网上传递令牌实现对介质的访问控制。只有当某个站点接收到令牌时，才能利用环路发送或接收信息。当环线上的各站都没有帧发送时，称为空标记。当一个站要发送帧时，需等待令牌通过，并将空标记换为忙标记，紧跟着令牌，用户站把数据帧发送至环上。因为是忙标记，所以其他站不能发送帧，必须等待。,吉林大学,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,令牌总线（Token Bus）访问控制 令牌总线访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环，令牌在逻辑环路中依次传递，其操作原理与令牌环相似。它同时具有上述两种方法的优点，既具有总线网的接入方便和可靠性较高的优点，也具有令牌环网的
22、无冲突和发送时延有确定的上限值的优点。因此，它是一种简单、公平、性能良好的介质访问控制方法。,吉林大学,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,网关 又叫协议转换器，是连接不同网络能实现不同网络协议转换的设备。网关是一种复杂的网络连接设备，可以支持不同协议之间的转换，实现不同协议网络之间的互连。网关具有对不兼容的高层协议进行转换的能力，为了实现异构设备之间的通信，网关需要对不同的链路层、专用会话层、表示层和应用层协议进行翻译和转换。,吉林大学,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,计算机网络体系结构 开放系统互连(Open System Interconnection， OSI) 基
23、本参考模型 OSI的体系结构具有七个层次，每个层次都在完成信息交换的任务中担当一个相对独立的角色，具有特定的功能。其中，第七层是高层，第一层为最低层。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,局域网的概念 是一种在有限区城内提供各类数据通信设备互连的通信网络。这里的数据通信设备可以是计算机、终端、外部设备、传感器、电话、电视收发器、基于微处理器的应用系统或智能装置等。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,局域网的特点 较小的地域范围，短距离传输； 高数据传输速率，低误码率； 采用广播方式传输数据信号，一个节点发出的信号可被网上所有的节点接
24、收 不考虑路由选择的问题，甚至可以忽略OSI网络层的存在。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,局域网的功能 资源共享：主要包括软件、硬件和数据 库等数据资源的共享。 通信交往：数据、文件的传输；电子邮 件；视频会议等。,1.1 计算机网络基础知识,第一章 绪 论,汽车网络分类 SAE的分类 A类网络 B类网络 C类网络,第一章 绪 论,1.2 车载网络技术概述,A类网络 面向传感器/执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常为 1-10kbit/s。 主要应用于电动门窗、中控锁、座椅调节、灯光控制等。LIN J1587/J1708/J1922,BEAN,第一章 绪 论,1.2 车载网络
25、技术概述,B类网络 面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率一般为 10-125kbit/s。主要应用于电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统。 如：J1850,LS-CAN,第一章 绪 论,1.2 车载网络技术概述,C类网络 面向高速、实时闭环控制的多路传输网，最高位速率可达 1Mbit/s，主要用于发动机和自动变速的动力控制、防滑控制、悬架控制等系统， 以简化分布式控制和进一步减少车身线束。 如：HS_CAN,吉林大学,1.2 车载网络技术概述,第一章 绪 论,按领域分类 动力系统/底盘系统（Powertrain/Chassis） 舒适系统/车身（Comfort/Body）
26、信息娱乐系统（Infotainment） 诊断（Diagnostics） 线控系统（X-by-Wire）,吉林大学,1.2 车载网络技术概述,第一章 绪 论,具体应用于车上的网络： 局部互联网络（LIN，Local Interconnect Network）1998年由多家汽车生产厂商（Audi, Daimlerchrysler, Volvo,Volkswagen）、元器件生产厂（Motorola）和开发工具公司联合发起的一个汽车低端网络协议，A级网络； TTP/A：应用目标与LIN基本一致，基于时间触发访问方式的协议， A级网络； SAEJ1850：最初由美国的Ford, GM, Chrys
27、ler公司提出，他们当中的很多车型采用其作为B级网络使用；,吉林大学,1.2 车载网络技术概述,第一章 绪 论,CAN协议：由Bosch公司提出，最早在欧洲汽车上广泛使用，目前包括美国、日本的公司也将其作为B级或C级网络使用 TTP/C和FlexRay: 是以线控系统为主要应用目标的C级汽车网络协议 MOST和D2B：是由媒体领域引入的标准，由于媒体信息音像传输数据量大，要求传输速率高，一般采用光纤或同轴电缆作为物理层媒介 无线局部网络：在汽车控制系统和媒体系统应用中有一些探索性工作，蓝牙技术（Bluetooth）,Zigbee。,吉林大学,1.2 车载网络技术概述,第一章 绪 论,汽车网络拓
28、扑结构 总线型网络 星型网络 环型网络 混合型网络,吉林大学,1.2 车载网络技术概述,第一章 绪 论,典型的汽车总线网络 低端控制系统：包括仅需要简单串行通信的ECU、智能传感器、执行器等，这是LIN总线最适合的领域。 底盘及车身控制系统：包括传统的车身控制和动力传动控制、ABS、自动变速箱等。这是CAN的特长。,吉林大学,第一章 绪 论,1.3 汽车总线网络结构与特点,高安全线控系统(X-By-Wire)：包括安全性要求很高的刹车和转向系统，通讯要求高容错性、高可靠性和高实时性。主要协议有TTCAN、FLexRay、TTP/C等。,吉林大学,第一章 绪 论,1.3 汽车总线网络结构与特点,
29、信息娱乐系统：要求有高速率和高带宽，如媒体播放器、导航系统等信息娱乐设备之间的互连需要更高速通信协议。目前主流协议有MOST 、D2B和IDB-1394等。,吉林大学,第一章 绪 论,1.3 汽车总线网络结构与特点,车载网络技术的发展趋势 CAN，LIN将继续在车身及动力系统领域得到广泛的应用 信息娱乐系统通信总线应具有容量大、通信速度高等特点，因此，传输介质逐渐使用光纤取代以往的铜线，面向信息娱乐系统的MOST和D2B将在此领域得到广泛应用。,1.3 汽车总线网络结构与特点,第一章 绪 论,对于安全等级要求更高的系统，如转向控制和制动系统及安全气囊的网络互联的发展方向是采用线控技术。Flex
30、Ray、Byteflight将会在该领域得到广泛应用。,1.3 汽车总线网络结构与特点,第一章 绪 论,吉林大学,第一章 概述和基础知识 第二章 CAN总线技术 第三章 LIN总线 第四章 MOST多媒体网络 第五章 FlexRay总线技术 第六章 汽车总线网路结构及应用,2.1 CAN总线概述 2.2 CAN通信协议 2.3 CAN网络的基本组成和数据传输原理 2.4 CAN主要部件的结构和原理 2.5 CAN节点结构与设计 2.6 CAN网络应用实例,主要内容,第二章 CAN总线,吉林大学,第二章 CAN总线,CAN的产生,2.1 CAN总线概述,早期的ECU之间的通信,吉林大学,为了解决
31、现代汽车中众多控制 器及测试仪器之间的数据交换、实现数据共享并尽量避免过多占用有限的车辆空间，在车辆电控系统中引入了CAN总线技术。,2.1 CAN总线概述,第二章 CAN总线,吉林大学,CAN是由德国BOSCH公司在二十世纪八十年代初开发的、最初用于汽车电子装置互联的一种串行数据通信协议。主要用于汽车内部大量控制器、测试仪器及执行机构之间的数据通信。,2.1 CAN总线概述,第二章 CAN总线,吉林大学,基于总线（CAN）的ECU通信,第二章 CAN总线,吉林大学,CAN的应用领域 车辆系统 交通控制系统 工业仪器仪表 智能建筑 工业仪器仪表 机器人 嵌入式网络,第二章 CAN总线,2.1
32、CAN总线概述,吉林大学,CAN的一些基本概念 CAN是一种通过标准集成电路实现的具有高可靠性的串行通信协议。它为串行通信提供包括位定时、帧格式、信息识别、数据传送、确认和错误检测的通信协议。 CAN总线可以用点对点，一点对多点及全局广播几种方式发送和接收数据。,第二章 CAN总线,2.1 CAN总线概述,CAN报文：报文是CAN控制器和CPU通信的主要手段，总线上的信息以固定格式的报文发送，但长度有限制，当总线开放时，任何节点均可开始发送一个新报文。 一个报文的内容由其标识符ID命名。ID并不指出报文的目的地址，但描述数据的含义，以便网络中的所有节点有可能借助报文滤波决定是否接受该数据。,第
33、二章 CAN总线,2.1 CAN总线概述,总线数值表示：总线可以具有两种互补逻辑数值之一（0或1）； 总线定义了“显性”和”隐性” 两种状态，“显性” 由逻辑“0”电平表示，而“隐性” 以逻辑“1”电平表示。在“显性”和隐性”位同时发送期间，采用总线的线 “与”操作，总线的最后数值将是“显性”。,第二章 CAN总线,2.1 CAN总线概述,远程数据请求：通过发送一个远程帧，需要数据的节点可以请求另一个节点发送一个相应的数据帧，该数据帧相对应的远程帧以相同的标识符ID命名。 仲裁：当总线空闲时，任何节点都可以发送信息，出现总线争用时，具有最高优先权的信息获得总线的使用权。,第二章 CAN总线,2
34、.1 CAN总线概述,仲裁过程：总线访问冲突运用逐位仲裁规则，借助标识符ID解决。若具有相同ID的一个数据帧和一个远程帧同时初始化，数据帧优先于远程帧。在发送数据时，节点不断监听总线状态，每一个发送节点都对发送位电平与总线上被监视电平进行比较。若相同，则该单元可以继续发送。当发送一个“隐性”电平1，而监控视到“显性”电平0时，该节点丢失仲裁，并从下一位开始停止发送。,2.1 CAN总线概述,第二章 CAN总线,吉林大学,CAN总线的基本工作原理 CAN总线的通信是通过一种类似于“会议”的机制实现的，但会议的过程并不是由一方（节点）主导，而是，每一个会议参加人员都可以自由的提出会议议题（多主通信
35、模式）。,2.1 CAN总线概述,第二章 CAN总线,吉林大学,2.1 CAN总线概述,第二章 CAN总线,吉林大学,2.1 CAN总线概述,第二章 CAN总线,吉林大学,CAN的特点 多主站依据优先权进行总线访问； 无破坏性的基于优先权的仲裁； 基于事件触发的发送方式，有出现长延时的可能。 借助接收滤波的多帧传送；,2.1 CAN总线概述,第二章 CAN总线,吉林大学,短帧结构（每条报文最多8字节数据） 配置灵活性； 错误检测和出错标注； 发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重新发送； 暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离 。,2.1 CAN总线概述,第二章 CAN
36、总线,吉林大学,CAN网络拓扑结构图,2.1 CAN总线概述,第二章 CAN总线,CAN的分层结构 CAN协议包括ISO/OSI参考模型中的最低两层。 数据链路层 物理层,2.2 CAN通信协议,第二章 CAN总线,编码/解码 CAN协议中规定发送数据时采用位填充技术，同步沿用位填充产生，即在发送时，最多可以有5个连续的同极性位，如果要发送的位流中有5个以上同极性位时，每发送5个同极性位则填充一个补位。 CAN通过这种编码规则检查错误，如果在一帧报文中有6个相同位，CAN就知道发生了错误。,CAN物理层功能,第二章 CAN总线,位填充过程,第二章 CAN总线,CAN共定义4种主要的帧类型： 数
37、据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。 远程帧：节点发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧。 错误指示帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 超载帧：超载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。,CAN协议的帧类型及帧格式,第二章 CAN总线,数据帧或远程帧与前 一个帧之间都会有一 个隔离域，即帧间间 隔。 数据帧和远程帧可以 使用标准帧及扩展帧 两种格式。,CAN共定义4种主要的帧类型： 数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。 远程帧：节点发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧。 错误指示帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 超载帧：过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提
38、供附加的延时。,CAN协议的帧类型及帧格式,第二章 CAN总线,数据帧或远程帧与前 一个帧之间都会有一 个隔离域，即帧间间 隔。 数据帧和远程帧可以 使用标准帧及扩展帧 两种格式。,远程帧,CAN总线状态 CAN总线有“显性” （DOMINANT）和“隐性” （RECESSIVE）两个状态，CAN的总线数值为两种互补逻辑数值之一。显性状态用逻辑数值“0”表示，隐性状态用逻辑“1”；当总线上的CAN控制器发送的都是隐性位时，此时总线状态是隐性（逻辑1）。如果总线上有显性位出现，隐性位总是让位于显性位，即总线上是显性位状态（逻辑0）。,第二章 CAN总线,2.2 CAN通信协议,总线上“显性”电平
39、支配“隐性”电平； 逻辑“0” =“显性” 电平； 逻辑“1” =“隐性”电平,2.2 CAN通信协议,第二章 CAN总线,CAN总线电平定义 CAN_H和CAN_L表示CAN总线收发器与总线的两接口引脚，信号是以两线之间的“差分”电压Vdiff传送的。在“CAN_H”与“CAN_L”的差值小于0.5V时，认为总线是隐性状态； “CAN_H”与“CAN_L”的差值大于0.9V时，认为总线是显性状态。,第二章 CAN总线,2.2 CAN通信协议,第二章 CAN总线,2.2 CAN通信协议,2.3 CAN网络的基本组成 和数据传输原理,CAN控制器 CAN收发器 终端匹配电阻 数据传输线 CAN的
40、接口电路,CAN网络基本组成,第二章 CAN总线,吉林大学,第二章 CAN总线,CAN网络基本组成,也称协议控制器。分独立的CAN控制器和集成CAN控制器； CAN控制器主要实现了两部分的功能1：数据链路层的全部功能；2：物理层的位定时功能。,CAN控制器,第二章 CAN总线,功能：提供CAN控制器与物理总线之间的接口，同时兼具接收和发送的功能。 发送器： 位流 电压信号 接收器： 电压信号 位流 常用芯片：TJA1050、PCA82C250和PCA82C251。,CAN 收发器,第二章 CAN总线,CAN 收发器,第二章 CAN总线,终端电阻防止数据在线端被反射，以回声的形式返回，影响数据的
41、传输；通常阻值为120欧姆，但也并非固定不变， 而是和使用的导线有关。,CAN的终端电阻,第二章 CAN总线,CAN接口电路主要包括CAN 控制器与微控制器之间（独立CAN控制器）、CAN控制器与CAN总线收发器以及CAN总线收发器与物理总线之间的接口电路。,CAN的接口电路,第二章 CAN总线,CAN总线的仲裁机制 一个CAN报文的标识域被用做发生冲突后控制寻址总线。如果多个站同时发送数据，而其中一个站发送一个“0”位（显性位），则正在监听总线的站都将读到“0”，相反，只有当所有站都发送“1”（隐性位）时，正在监听总线的所有站才能读到“1”。实际上，CAN总线就像一个大的“与门”，每个站都可
42、以看到门输出，这一特性被用来解决总线冲突。,第二章 CAN总线,CAN的数据传输原理,总线空闲时，任何节点可以开始发送报文； 总线上每条报文都具有唯一的一个11位或29位标识符； 报文标识符的值越小，报文具有越高的优先权； 多个节点同时发送时，总线在“仲裁场”进行“逐位仲裁” ； 传送高优先级报文的节点赢得仲裁，并继续传输报文； 失去仲裁的节点在总线空闲时重新传送。,第二章 CAN总线,CAN的数据传输原理,第二章 CAN总线,CAN的数据传输原理,CAN 总线的逐位仲裁过程,第二章 CAN总线,独立CAN控制器 SJA1000 是PHILIPS半导体PCA82C200 CAN 控制器的替代产
43、品，并增加了一种新的工作模式PeliCAN 。独立的CAN控制器SJA1000总是位于微型控制器和收发器之间。,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CAN总线,BasicCAN模式 和PCA82C200兼容。BasicCAN模式是上电后默认的操作模式，因此用PCA82C200开发的已有硬件和软件，可以直接在SJA1000上使用而不用作任何修改。 PeliCAN模式 是新的操作模式。它能够处理所有CAN2.0B规范的帧类型，并提供一些增强功能，使SJA1000能应用于更宽的领域。,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CAN总线,SJA1000的基本特性 和PCA82C200 独立
44、CAN 控制器引脚兼容 和PCA82C200 独立CAN 控制器电气兼容 扩展的接收缓冲器64 字节先进先出FIFO 同时支持11 位和29 位识别码 位速率可达1Mbits/s 另外还具备PeliCAN 模式的扩展功能,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CAN总线,SJA1000的封装与管脚定义,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CAN总线,SJA1000组成及各部分功能 CAN核心模块 接口管理逻辑 发送缓冲器/接收缓冲器 验收滤波器 位流处理器 位时序逻辑 错误管理逻辑,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CAN总线,接口管理逻辑（IML） 接口管理逻辑负责同
45、外部主控制器的接口。该单元中的每一个寄存器都可由主控制器通过SJA1000的地址/数据总线访问。,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CAN总线,发送缓冲器（TXB） SJA1000 的发送缓冲器存储要在CAN 总线上发送的数据，它能够存储一个完整的信息帧（扩展的或标准的），主控制器可直接将标识符和数据送入发送缓冲区，然后置位命令寄存器（CMR）中的发送请求位TR，启动CAN核心模块读取发送缓冲区中的数据，按照CAN协议封装成完整的CAN信息帧，通过收发器发往总线。,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CAN总线,发送缓冲器被分为描述符区和数据区，描述符区的第一个字节是帧信息字
46、节（帧信息），它说明了帧格式（SFF 或EFF）、 远程或数据帧以及数据长度。,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CAN总线,接收缓冲器（RXB， RXFIFO ） 从CAN 总线上收到的数据被存储在SJA1000 的存储区，这个存储区叫接收缓冲器。它是验收滤波器和CPU之间的接口，用来储存从CAN 总线上接收的信息。接收缓冲器（RXB，13 个字节）作为接收FIFO （RXFIFO 长64字节）的一个窗口可被CPU 访问。,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CAN总线,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CAN总线,验收滤波器（ACF） 完成接收信息的滤波，验收滤
47、波器把它其中的数据和接收的识别码的内容相比较以决定是否接收信息，只有验收滤波通过且无差错，才把接收到的信息帧存入接收FIFO缓冲区。储存信息的多少由工作模式决定，而最多能存储32个信息。,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CAN总线,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CAN总线,位时序逻辑（BTL） 位时序逻辑监视串口的CAN 总线和处理与总线有关的位时序，它在信息开头的总线传输时同步CAN 总线位流（硬同步），接收信息时再次同步下一次传送（软同步）。BTL 还提供了可编程的时间段来补偿传播延迟时间、相位转换、定义采样点等。,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CA
48、N总线,位流处理器（BSP） 位流处理器是一个在发送缓冲器RXFIFO 和CAN 总线之间控制数据流的程序装置，它还在CAN 总线上执行错误检测、仲裁、填充和错误处理等。 错误管理逻辑（EML） EML负责传送层模块的错误管制，它接收BSP的出错报告，通知BSP和IML进行错误统计。,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CAN总线,CAN发送/接收驱动器PCA82C250 PCA82c250是CAN控制器和物理总线间的接口，它最初为汽车高速通信应用设计。器件可以提供对总线的差动发送能力，对CAN控制器的提供差动接收能力。又称为总线驱动器。,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 C
49、AN总线,PCA82c250主要特性： 与ISODIS 11898标准全兼容 高速(最高可达lMbps) 抗汽车环境下的瞬间干扰，保护总线能力 降低射频干扰控制 热防护 防护电池与地之间发生短路 低电流待机方式 某一个节点掉电不会影响总线 可有ll0个节点相连接,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CAN总线,PCA82c250的封装和管脚定义,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CAN总线,2.4 CAN主要部件的结构和原理,第二章 CAN总线,典型SJA1000 应用,CAN总线通讯程序 CAN总线通讯程序由三大部分组成：SJA1000初始化、接收和发送 ，右图为初始化流程,CAN总线数据发送,2.4 CAN主要部件的结构和原理,CAN总线数据接收,2.4 CAN主要部件的结构和原理,2.5 CAN节点结构与设计,一个CAN节点由如下三部分组成： CAN控制器 CAN收发器 CAN接口电路,CAN节点结构,CAN节点设计步骤 CAN控制器、CA
