1、第四讲 CAN现场总线现场总线现场总线CAN局域网局域网CAN（Controller Area Network）是控制器局域网）是控制器局域网 CAN是由德国是由德国Bosch公司专门公司专门为汽车监测和控制而设计的为汽车监测和控制而设计的，逐步，逐步发展到用于其它工业领域的现场控制。发展到用于其它工业领域的现场控制。CAN已经成为国际标准已经成为国际标准化组化组织织ISO11898标准。标准。Canbus的由来由于现代汽车的技术水平大幅提高，要求能对更多的汽车运行参数进行控制，因而汽车控制器的数量在不断的上升，从开始的几个发展到几十个以至于上百个控制单元。控制单元数量的增加，使得它们互相之间
2、的信息交换也越来越密集。为此德国BOSCH公司开发了一种设计先进的解决方案CAN数据总线，提供一种特殊的局域网来为汽车的控制器之间进行数据交换。Canbus的发展历史大众公司首次在97年PASSAT的舒适系统上采用了传送速率为62.5Kbit/m的Canbus。98年在PASSAT和GOLF的驱动系统上增加了Canbus，传送速率为500Kbit/m。2000年，大众公司在PASSAT和GOLF采用了带有网关的第二代Canbus。2001年，大众公司提高了Canbus的设计标准，将舒适系统Canbus提高到100Kbit/m,驱动系统提高到500Kbit/m。2002年，大众集团在新PQ24平
3、台上使用带有车载网络控制单元的第三代Canbus。2003年，大众集团在新PQ35平台上使用五重结构的Canbus系统，并且出现了单线的LIN-BUS。CAN-Bus是Controller Area Network的缩写，称为控制单元的局域网，它是车用控制单元传输信息的一种传送形式。车上的布线空间有限，CAN-Bus系统的控制单元连接方式采用铜缆串行方式。由于控制器采用串行合用方式，因此不同控制器之间的信息传送方式是广播式传输。也就是说每个控制单元不指定接收者，把所有的信息都往外发送；由接收控制器自主选择是否需要接收这些信息。广播原理：一家发送，大家接收CAN的主要特性的主要特性（1）传输速率
4、最高）传输速率最高1Mbps/40m，距离最远，距离最远10km/5kbps。（2）节点数达）节点数达110个（取决于驱动电路），传输介质为双绞线、个（取决于驱动电路），传输介质为双绞线、同轴或光纤。同轴或光纤。（3）通信方式，）通信方式，CAN采用点对点、一点对多点及全局广播几种采用点对点、一点对多点及全局广播几种数据收发方式。数据收发方式。（4）CAN可实现全分布式多机系统，并且无主、从机之分，每可实现全分布式多机系统，并且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文，可方便地构成多机备份系统。个节点均主动发送报文，可方便地构成多机备份系统。（5）CAN节点发送数据有冲突时，自动按优先级次序发送
5、。节点发送数据有冲突时，自动按优先级次序发送。（6）信号传输用短帧结构（）信号传输用短帧结构（8字节），实时性好，受干扰的概字节），实时性好，受干扰的概率低，且具有极好的检错效果；率低，且具有极好的检错效果；（7）具有可靠的错误检测和处理机制（）具有可靠的错误检测和处理机制（CRC循环冗余校验）。循环冗余校验）。（8）节点具有自动关闭功能（在错误严重时）。）节点具有自动关闭功能（在错误严重时）。（9）CAN器件丰富，有带器件丰富，有带CAN的单片机（的单片机（82C200）、）、CAN控控制器制器(SJA1000)、收发器、收发器(TJA1050)、CAN I/O器件器件(82C150)等。等
6、。(10)ISO 11898 CAN高速应用标准的的最高速率为高速应用标准的的最高速率为1Mbit/s，ISO 11519 CAN低速应用标准的最高速率为低速应用标准的最高速率为125Kbit/s。CAN网络的技术特点网络的技术特点国内传统的工业测控系统通信方式一般都采用BITBUS和RS485，其缺点是：1.无法构成多主结构，主节点任务繁忙，一旦主节点出现故障就可能引起系统瘫痪；2.数据通信方式为命令响应式，数据传输效率降低，同时当下端出现异常时，数据不能立即上传，灵活性极差，不适于实时性要求较高的场合；3.物理层采用较陈旧的RS485规范，链路层为SDLC(同步数据链路控制,Synchro
7、nous Data Link Control)协议，总体来讲效率较低，灵活性差，尤其是错误处理能力不强。CAN网络的技术特点网络的技术特点 与上述通信方式相比，CAN具有以下特点：1.采用通讯数据块编码，可实现多主工作方式，数据收发方式灵活，可实现点对点、一点对多点及全局广播等多种传输方式；可将DCS结构中主机的常规测试与控制功能分散到各个智能节点，节点控制器把采集到的数据通过CAN适配器发送到总线，或者向总线申请数据，主机便从原来繁重的底层设备监控任务中解放出来，进行更高层次的控制和管理功能，比如故障诊断、优化协调等；2.采用非破坏性基于优先权的总线仲裁技术，具有暂时错误和永久性故障节点的判
8、别及故障节点的自动脱离功能，使系统其它节点的通信不受影响；同时CAN具有出错帧自动重发功能，可靠性高；3.信号传输用短帧结构（8字节），实时性好，受干扰的概率低，且具有极好的检错效果；4.不关闭总线即可任意挂接或拆除节点，增强了系统的灵活性和可扩展性；5.采用统一的标准和规范，使各设备之间具有较好的互操作性和互换性，系统的通用性好；6.通讯介质可采用双绞线，无特殊要求；现场布线和安装简单，易于维护，经济性好。总之，CAN总线具有实时性强、可靠性高、结构简单、互操作性好、价格低廉等优点，克服了传统的工业总线的缺陷，是工业测控系统通信一种有效的解决方案。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层
9、和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。4.1 CAN技术规范技术规范4.1 CAN的技术规范制定技术规范的目的是为了在任何两个CAN仪器之间建立兼容性。为达到设计透明度以及实现柔韧性，CAN被细分为以下不同的层次：CAN对象层（The Object Layer）CAN传输层（The Transfer Layer）物理层（The Physical Layer）对象层和传输层包括所有由ISO/OSI模型定义的数据链路层的服务和功能.对象层的作用范围包括：查找被发送的报文 确定由实际要使用的传输层接收哪一个报文 为应用层相关硬件提供接
10、口传输层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构，执行仲裁，错误检测，出错标定，故障界定。物理层的作用是在不同节点间根据所有的电气属性进行位信息的实际传输.CAN 的高层协议 CAN 的高层协议（也可理解为应用层协议）是一种在现有的底层协议（物理层和数据链路层）之上实现的协议。高层协议是在 CAN 规范的基础上发展起来的应用层。许多系统（像汽车工业）中，可以特别制定一个合适的应用层，但对于许多的行业来说，这种方法是不经济的。一些组织已经研究并开放了应用层标准，以使系统的综合应用变得十分容易。一些可使用的 CAN 高层协议有：制定组织 主要高层协议 CiA CAL 协议 CiA CANOpen 协
11、议 ODVA DeviceNet 协议 Honeywell SDS 协议 Kvaser CANKingdom 协议 4.1.1 CAN的基本概念 报文 总线上的信息以不同格式的报文发送，但长度有限制。信息路由 在CAN系统中，一个CAN节点不使用有关系统结构的任何信息（如站地址）。位速度 CAN的数据传输率在不同的系统中是不同的，而在一个给定的系统中，此速度是唯一的并且是固定的。优先权 在总线访问期间，标识符定义了一个报文静态的优先权。4.1.1 CAN的基本概念 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，该数据帧与对应的远程帧以相同标识符ID命名
12、。多主站 任意站点均可主动发送数据，无主从之分 仲裁 当总线开放时，任何单元均可开始发送报文，若同时有两个或更多的单元开始发送，总线访问冲突运用逐位仲裁规则，借助标识符ID解决。4.1.1 CAN的基本概念 故障界定 CAN节点有能力识别永久性故障和短暂扰动，可自动关闭故障节点。连接 CAN串行通信链路是一条众多但愿均可被连接的总线。单通道 由单一进行双向位传送的通道组成的总线，借助数据重同步实现信息传输。总线数值表示 总线上具有两种互补逻辑数值：显性电平和隐性电平。应答 所有接收器均对接收报文的相应性进行检查，应答一个相容报文，并标注一 个不相容报文。4.1.2 CAN的分层结构CAN遵从O
13、SI模型，按照OSI标准模型CAN划分为两层：数据链路层和物理层。数据链路层又包括：l 逻辑链路控制子层LLC，l 媒体访问控制子层MAC。CAN的分层结构和功能如右图：LLC子层的主要功能是为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文实际已被接收并为恢复管理和通知超载提供信息。MAC子层接收的报文主要是传送规则亦即控制帧结构，执行仲裁，错误检测 出错标定和故障界定。物理层的功能是有关全部电气特性在不同节点间的实际传送。数据链路层逻辑链路子层LLC接收滤波超载通知恢复管理媒体访问控制子层MAC数据封装/拆装帧编码（填充/解除填充）媒体访问管理错误监测出错标定应答串行化/解除串行
14、化物理层位编码/解码位定时同步（驱动器/接收器特性）故障界定总线故障管理监控器图4-1 CAN的分层结构和功能4.1.3 报文传送和帧结构l对于报文发送器和接收器，报文的实际有效时刻是不同的。l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。当发送器在发送的位流中检测到5位连续的相同数值时，将自动地在实际发送地位流中插入一个补码位。数据帧和远程帧地其余位场采用固定格式，不进行填充，出错帧和超载帧同样时固定格式，也不进行位填充。位填充的方法如右图42所示。l报文中的位流按照非归零（NRZ）码方法编码l报文发送由4种不同类型的帧表示和控制：数据帧，远程帧，出错帧，超载
15、帧。未填充位流 100000 xyz 011111xyz填充位流 1000001xyz 0111110 xyz其中：xyz0,1 图4-2 位填充1.数据帧数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。数据场长度可为0。CAN2.0A数据帧的组成如图4-3 所示。在CAN2.0B存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有11位标识符的帧称为标准帧，而包括29位标识符的帧称为扩展帧。标准格式和扩展格式的数据帧结构如图4-4所示.帧间空间或超载帧帧间空间图4-3 数据帧组成帧起始ACK场帧结束仲裁场 控制场 数据场CRC场数据帧标准格式和扩展格
16、式的数据帧结构标准格式仲裁场控制场数据场11位标识符DLCSOFRTRIDEr0帧间空间11位标识符18位标识符DLC仲裁场控制场数据场SOFIDERTRr0r1SRR图4-4 标准格式和扩展格式数据帧1.数据帧帧起始（SOF）标志数据帧和远程帧的起始，它仅由一个显性位构成。仲裁场 由标识符和远程发送请求（RTR）组成。仲裁场如图4-5 所示。控制场 由6位组成，如图4-6所示数据场 由数据帧中被发送的数据组成，它可包括08个字节，每个字节8位。首先发送的是最高有效位。控制场帧间空间仲裁场帧起始标识符RTR位图4-5 仲裁场组成数据场或CRC场仲裁场控制场数据长度码保留位r1r0DLC3 DL
17、C2 DLC1 DLC0图4-6 控制场组成1.数据帧CRC场 包括CRC序列，后随CRC界定符。CRC界定符是一个单独的“隐性”位。为进行 CRC 计算，被除的多项式系数由无填充位流给定，组成这些位流的成分是：帧起始、仲裁场、控制场、数据场。CRC场结构如图4-7所示。应答场 位两位，包括应答间隙和应答界定符，如图4-8所示.帧结束 每个数据帧和远程帧均可由7个隐性位组成的标志序列界定。CRC序列CRC场CRC界定符ACK场图4-7 CRC场结构CRC场ACK场帧结束ACK间隙ACK界定符图4-8 应答场组成2.远程帧 激活为数据接收器的站可以通过传送一个远程帧初始化各源节点数据的发送。远程
18、帧由6个不同分位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束与数据帧相反，远程帧的RTR位是“隐性”的。它没有数据场，数据长度代码的数值是不受制约的（可以标注为容许范围里0.8的任何数值）。RTR位的极性表示了所发送的帧是一数据帧（RTR位“显性”）还是一远程帧（RTR“隐性”）。帧间空间远程帧帧间空间帧起始仲裁场控制场CRC场ACK场帧结束或超载帧图4-9 远程帧组成3.出错帧 出错帧由两个不同场组成，第一个由来自各帧的错误标志叠加得到，后随的第二个场是出错界定符。出错帧的组成如图4-10所示数据帧出错帧错误标志错误标志叠加错误界定符帧间空间或超载帧图4-10 出错帧组成4.超载
19、帧 超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符，如图4-11所示帧结束或超载帧超载标志超载标志叠加超载界定符帧间空间或超载帧图4-11 超载帧组成超载界定符错误界定符5.帧间空间帧结束帧间空间间歇场总线空闲帧图4-12 非“错误认可”帧间空间数据链路层数据处理流程标准帧的仲裁过程4.1.4 错误类型和界定1.错误类型 CANBUS有五种错误类型。位错误填充错误CRC错误形式错误应答错误2.错误界定设备状态转换图4.1.5 位定时与同步的基本概念正常位速率 为在非重同步情况下，借助理想发送器每秒发出的位数。正常位时间 即正常位速率的倒数。正常位时间可分为几个互不重叠的时间段。包括：同步段，传播段，
20、相位缓冲段1和相位缓冲段2。如图4-14所示。同步段 传播段相位缓冲段1相位缓冲段24个时间份额4个时间份额一位时间（10个时间份额）1个时间份额1个时间份额采样点图4-14 位时间各组成部分4.1.5 位定时与同步的基本概念同步段 用于同步总线上的各个节点，需要有一个跳变沿。传播段 用于补偿网络内的传输延迟时间。相位缓冲段1和相位缓冲段2 补偿沿的相位误差。采样点 仲裁电平被读点，位于相位缓冲段1的终点。信息处理时间 用于计算子序列位电平的时间。4.1.5 位定时与同步的基本概念 时间份额 由振荡器周期派生出的一个固定时间单元。时间份额可为：时间份额m最小时间份额 其中m为分度值 正常位时间
21、中各时间段长度数值为：SYNC-SEG为一个时间份额；PHASE-SEG1可编程为18各时间份额；PHASE-SEG2长度为PHASE-SEG1和信息处理时间的最大值；信息处理时间长度小于或等于2个时间份额。在位时间中，时间份额的总数必须被编程为至少825。硬同步 硬同步后，内部位时间从SYNC-SEG重新开始。4.1.5 位定时与同步的基本概念 重同步跳转宽度 由于重同步的结果，PHASE-SEG1可被延长或PHASE-SEG1可被缩短。这两个相位缓冲段的延长或缩短的总和上限由重同步跳转宽度给定，可编程为1和4之间。沿相位误差 由沿相对与SYNC-SEG的位置给定，以时间份额度量。重同步4.
22、1.5 位定时与同步的基本概念 同步规则 硬同步和重同步是同步的两种形式，遵从下列规则：u 在一个位时间内仅允许一种同步。u 只要在先前采样点上监测到的数值与总线数值不同，沿过后立即有一个沿用于同步。u 在总线空闲期间，当存在一个隐性位至显性位的跳变沿时，则执行一次硬同步。u 所以履行以上规则1和规则2的其他隐性位至显性位的跳变沿都将被用于重同步。例外情况是，对于具有正相位误差的隐性位至显性位的跳变沿，只要隐性位至显性位的跳变沿被用于重同步，发送显性位的节点将不执行重同步。4.1.6 CAN总线的位数值表示与通信距离 CAN总线上用“显性”和“隐性”两个互补的逻辑值表示“0”和“1”。当在总线
23、上出现同时发送显性和隐性时，其结果是总线数值为显性（即“0”与“1”的结果为“0”）。如图4-15所示，VCAN-H和VCAN-L为CAN总线收发器与总线之间的两接口引脚，信号是以两线之间的“差分”电压形式出现。在隐性状态VCAN-H和VCAN-L被固定在平均电压附近Vdiff近似于0.时间tVVdiffVdiffVCAN-HVCAN-L隐性位显性位隐性位图4-15 总线位的数值表示4.1.6 CAN总线的位数值表示与通信距离 CAN总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关，如表4-2所示。位速率/(Kbit/s)1000500250125100502010 5最大距离/m40130
24、27053062013003300670010000表4-2 CAN总线系统任意两个节点之间的最大距离这里的最大通信距离是指在同一条总线上两个节点之间的距离一、一、CAN节点结构节点结构每一个每一个CAN节点，必不可少的器件有：单片机、节点，必不可少的器件有：单片机、CAN控制控制器、器、CAN收发器和光电耦合器等。收发器和光电耦合器等。光电耦合器光电耦合器隔离电源隔离电源CAN收发器收发器CAN控制器控制器单片机单片机89C51等等4.2 CAN节点结构与系统连接方式节点结构与系统连接方式4.2 现场总线现场总线CAN局域网结构局域网结构隔离电源隔离电源CAN控制器控制器单片机单片机如如89
25、C51等等4.2 现场总线现场总线CAN局域网结构局域网结构CAN收发器收发器4.2 现场总线现场总线CAN局域网结构局域网结构二、二、CAN系统连接方式系统连接方式MCU4.3 现场总线现场总线CAN局域网芯片局域网芯片一、一、CAN控制器控制器SJA1000SJA1000是是PHILIPS公司的产品。公司的产品。1、控制器的功能、控制器的功能（1）实现）实现CAN现场总线协议；现场总线协议；（2）设置通信波特率；（）设置通信波特率；（3）进行发送和）进行发送和接收缓冲；（接收缓冲；（4）进行校验和错误处理；）进行校验和错误处理；（5）产生中断请求等。）产生中断请求等。2、引脚信号、引脚信号
26、28引脚，引脚，DIP或或SO封装封装AD0AD7：地址：地址/数据复用数据复用MODE：CPU模式选择模式选择1：Intel模式；模式；0：Motorola模式模式TX0、1：从：从SJA1000输出数据输出数据RX0、1：SJA1000接收数据接收数据/INT：中断请求输出，送给单片机：中断请求输出，送给单片机4.3 现场总线现场总线CAN局域网芯片局域网芯片二、二、CAN高速数据收发器高速数据收发器SJA1050SJA1050是是PHILIPS公司的产品。公司的产品。1、数据收发器的功能、数据收发器的功能（1）完成）完成CAN协议电平转换；（协议电平转换；（2）完成数据收发；（）完成数据
27、收发；（3）起）起到保护和抗干扰作用。到保护和抗干扰作用。2、主要特点、主要特点：（1）高速率（达）高速率（达1Mb/s）；（）；（2）多节点（达）多节点（达110个）；（个）；（3）有静音模式只收不发；（）有静音模式只收不发；（4）保护和抗干扰能力强。）保护和抗干扰能力强。3、引脚信号、引脚信号TXD：发送数据输入：发送数据输入RXD：接收数据输出：接收数据输出CANL：低电平：低电平CAN总线总线CANH：高电平：高电平CAN总线总线S：模式选择，：模式选择，0：高速模式；：高速模式；1：静音模式，只收不发：静音模式，只收不发Vref：参考电压输出：参考电压输出基于基于RS232协议的协议的CAN总线网络总线网络金龙客车CAN总线金龙客车CAN总线金龙客车CAN总线本章作业 1、简述CAN总线的主要特点 2、简述CAN的分层结构 3、CAN报文有哪几种类型的祯表示 4、CAN位数值表示方法 5、CAN总线与Profibus总线的主要不同点有哪些？
