詳解基于CAN總線的汽車儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)—CAN總線原理分析

控制器局域網(wǎng)CAN

控制器局域網(wǎng)CAN(CAN一 ControllerAreaNetwork)為串行通訊協(xié)議，屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，能有效地支持具有很高安全等級的分布實(shí)時控制。CAN的應(yīng)用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價位的多路接線都可以使用CAN?？刂破骶钟蚓W(wǎng)采用雙線串行通信方式工作。具有強(qiáng)有力的檢錯功能，可在高噪聲干擾環(huán)境中使用，具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能、多個單片微機(jī)可通過CAN的控制器掛到CAN總線上，形成多主機(jī)局部控制網(wǎng)。CAN 的最初設(shè)計(jì)目標(biāo)是取代汽車中過多的硬件連接控制電路，但由于它的優(yōu)良性能，現(xiàn)在除了汽車外，它已在工業(yè)自動化、各種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[20]。1993年n月150正式頒布了道路交通運(yùn)載工具一數(shù)字信息交換一高速通信控制器局域網(wǎng)CAN國際標(biāo)準(zhǔn) 15011898，為控制器局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的推廣鋪平了道路。

2.2.1 CAN技術(shù)規(guī)范

CAN是德國Bosch公司在20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制模塊與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線，是一種多主站總線通信系統(tǒng)。通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，其通信速率可達(dá)IMbPs，最大通信距離可達(dá)5000m。在CAN總線通信控制器中集成了以N協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括零位的插入/刪除、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級判別等項(xiàng)工作〔22]。在汽車電子行業(yè)里，使用CAN連接發(fā)動機(jī)控制單元、自動變速箱控制單元ABS系統(tǒng)等等，其傳輸速度可達(dá) 1Mbit/s。同時，可以將CAN安裝在卡車本體的電子控制系統(tǒng)里，諸如車燈組、電氣車窗等等，用以代替接線配線裝置。制定技術(shù)規(guī)范的目的是為了在任何兩個以N儀器之間建立兼容性?？墒牵嫒菪杂胁煌姆矫?，比如電氣特性和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的解釋。為了達(dá)到設(shè)計(jì)透明度以及實(shí)現(xiàn)靈活性，根據(jù)150/051參考模型，CAN被細(xì)分為以下不同的層次 :

1、CAN對象層 (the objeet layer)

2、eAN傳輸層 (the transfer layer)

3、物理層

對象層和傳輸層包括所有150/051模型定義的數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)和功能，即邏輯鏈路控制子層(LLC)和媒體訪問控制子層(MAC)，對象層的作用包括:

1、查找被發(fā)送的報文;

2、確定由實(shí)際要使用的傳輸層接收哪一個報文;

3、為應(yīng)用層相應(yīng)的硬件提供接口。

傳輸層的作用主要是傳送規(guī)則，也就是控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標(biāo)定、故障界定?？偩€上什么時候開始發(fā)送新報文及什么時候開始接收報文，均在傳輸層里確定。位定時的一些普通功能也可以看作是傳輸層的一部分，，理所當(dāng)然，傳輸層的修改是受到限制的。物理層的作用是在不同的節(jié)點(diǎn)之間根據(jù)所有電氣屬性進(jìn)行位信息的實(shí)際傳輸。在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，物理層對于所有的節(jié)點(diǎn)必須是相同的。

2.2.2 CAN的基本概念

下面對CAN協(xié)議的媒體訪問控制子層(傳輸層)的一些專業(yè)術(shù)語和特征作說明CAN協(xié)議的媒體訪問控制子層(傳輸層)的一些專業(yè)術(shù)語和特征作(Message):

1、總線上的報文以不同報文格式發(fā)送，但長度受到限制?？偩€空閑時，任何一個網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送報文。

2、信息路由 (InformationRouting):在CAN網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)不使用任何關(guān)于系統(tǒng)配置的報文比如站地址，由接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)報文本身特征判斷是否接受這幀信息。因此系統(tǒng)擴(kuò)展時，不用對應(yīng)用層以及任何節(jié)點(diǎn)軟件和硬件作任何改變，可以直接在CAN網(wǎng)絡(luò)中增加節(jié)點(diǎn)。

3、標(biāo)識符(Identifier):要傳送的報文有特征標(biāo)識符(是數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的一個域)，它給出的不是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址，而是這個報文本身的特征。信息以廣播方式在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送，所有節(jié)點(diǎn)都可以接收到。節(jié)點(diǎn)通過標(biāo)識符判定是否接受接收到的這幀信息。

4、數(shù)據(jù)一致性:應(yīng)確保報文在CAN網(wǎng)絡(luò)里同時被所有節(jié)點(diǎn)接收或同時不接收。這是配合錯誤處理和再同步功能實(shí)現(xiàn)的。

5、位速率:不同的CAN系統(tǒng)速度不同，但在一個給定的系統(tǒng)里，位速率是唯一的，并且固定的。

6、優(yōu)先權(quán):由發(fā)送數(shù)據(jù)的報文中的標(biāo)識符決定報文占用總線的優(yōu)先權(quán)。標(biāo)識符越小，優(yōu)先權(quán)越高。

7、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求 (RemoteDataRequest):通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)請求另一節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)?；貞?yīng)節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)幀與請求數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程幀由相同的標(biāo)識符命名。

8、仲裁(Arbitration):只要總線空閑，任何節(jié)點(diǎn)都可以向總線發(fā)送報文。如果有兩個或兩個以上的節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送報文，就會引起總線訪問沖突。通過使用標(biāo)識符的逐位仲裁一一載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD，Ca仃 lersenseMultipleAccesswitheollisionDeteet)—的無損仲裁方式就可以解決這個lb]題。

9、錯誤檢測與可靠性:為了保證發(fā)送的報文正確可靠，CAN采用發(fā)送濫聽的位錯誤檢測、幀數(shù)據(jù)的循環(huán)冗余碼CRC校驗(yàn)、位填充技術(shù)、幀格式校驗(yàn)和應(yīng)答檢測等五種錯誤檢測方法。這些措施使CAN具有識別全部的全局錯誤、發(fā)送端的局部錯誤、一幀信息中的5個以上隨機(jī)錯誤、報文中長度小于巧的突發(fā)

性錯誤和報文中任一奇數(shù)個錯誤，使報文錯誤漏報率小于 4.7x10

10、故障界定(ConfinemenO:CAN節(jié)點(diǎn)能區(qū)分瞬時擾動引起的故障和永久性故障。故障節(jié)點(diǎn)會被關(guān)閉。

11、同步:CAN節(jié)點(diǎn)之間采用串行線連接，數(shù)據(jù)和同步信號都由這個通道承擔(dān)。信息發(fā)送有起始同步信號，傳送過程中接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行再同步。

12、總線狀態(tài):e胡總線上用“顯性(dominant)”和“隱性(reeessive)”兩個互補(bǔ)的邏輯值表示“0”和“1”，“顯性”對應(yīng)邏輯 “0”，“隱性”對應(yīng)邏輯“1”，“顯性”狀態(tài)和“隱性”狀態(tài)線與為“顯性”狀態(tài)，所以當(dāng)在總線上出現(xiàn)兩個節(jié)點(diǎn)同時分別發(fā)送“0”和“1”時，其結(jié)果是總線數(shù)值為顯性“O”。CAN總線采用二進(jìn)制不歸零伽Rz)編碼方式，所以總線上不是“0”，就是“1”。其具體代表值與電壓的關(guān)系如圖2一1所示:

13、應(yīng)答:接收節(jié)點(diǎn)對正確接收的報文給出應(yīng)答，對不一致報文進(jìn)行標(biāo)記。

14、位流編碼:一幀報文中，起始域、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域和CRC域的二進(jìn)制位流通過位填充方式編碼。當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)5個相同極性位時，自動插入一個補(bǔ)碼;報文中其他域不使用位流編碼，錯誤幀和過載幀也不使用。

2.2.3 CAN總線的技術(shù)特點(diǎn)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，CAN總線己廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的工業(yè)現(xiàn)場，根據(jù)不同的需要或以主從方式，或多主方式工作，鑒于其極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)以及高速率，傳輸距離較長的特點(diǎn)，特別適合工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)。CAN協(xié)議的一個最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識碼可由H位(以N技術(shù)規(guī)范2.以)或29位(CAN技術(shù)規(guī)范2.0B)二進(jìn)制數(shù)組成，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。概括起來，它具有如下特點(diǎn)

1、CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

2、CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)IOkm(速率SKbp、以下)，通信速率最高可達(dá)IMbpS(此時通信距離最長為40m)。

3、CAN為多主從工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任意一節(jié)點(diǎn)均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他接點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無需站地址等節(jié)點(diǎn)信息，利用這一特性可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)。

4、網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實(shí)時要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在 134ps內(nèi)得到傳輸。

5、CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點(diǎn)會主動退出發(fā)送，而高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)可以不受影響地繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間，尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況(而以太網(wǎng)則可能)。

6、CAN只需通過報文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳播接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”

7、CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達(dá)110個，報文標(biāo)識符可達(dá)2030種 (CAN2.OA)，而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(CAN2.OB)的報文標(biāo)識符幾乎不受限制。

8、CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果。

9、以N的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他校驗(yàn)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。

10、以CAN總線上的節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，退出網(wǎng)絡(luò)通訊，保證總線上其它節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

11、CAN還具有借助接收濾波的多地址幀傳送、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求、配置靈活性、全系統(tǒng)數(shù)據(jù)相容性、錯誤檢測和出錯信令的功能。

12、CAN在發(fā)送期間若丟失仲裁或由于出錯而遭破壞的幀可自動重發(fā)送，而且可以進(jìn)行暫時錯誤和永久性故障節(jié)點(diǎn)的判別以及故障節(jié)點(diǎn)的自動脫離。CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，傳輸?shù)臅r間短，從而保證了通信的實(shí)時性。受干擾的概率低，每幀信息均有CRC校驗(yàn)和其他檢錯措施，通信誤碼率極低。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。以N節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，這時故障節(jié)點(diǎn)與總線脫離，使其他節(jié)點(diǎn)的通信不受影響。CAN的這些卓越特性以及極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)，并己被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。

2.2.4 CAN的分層結(jié)構(gòu)

CAN遵從051模型，按照051基準(zhǔn)模型，CAN結(jié)構(gòu)劃分為兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其中數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路層LLC和媒體訪問控制層MAC。如圖2一2所示1]。

2.2.4CAN總線的分層結(jié)構(gòu)

CAN遵從051模型，按照051基準(zhǔn)模型，CAN結(jié)構(gòu)劃分為兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其中數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路層LLC和媒體訪問控制層MAC。如圖2一2所示123]。

LLC子層的主要功能是:為數(shù)據(jù)傳送和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求提供服務(wù)，確認(rèn)由LLC子層接收的報文己被接收，并為恢復(fù)管理和通知超載提供信息。MAC子層的功能主要是傳送規(guī)則，亦即控制幀的結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標(biāo)定和故障界定。物理層的功能是有關(guān)全部電氣特性在不同節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際傳送。CAN技術(shù)規(guī)范 2.OB定義了數(shù)據(jù)鏈路中的MAC子層和LLC子層的一部分，并描述與 CAN有關(guān)的外層。物理層定義了信號怎樣進(jìn)行發(fā)送，因而，涉及位定時、位編碼元和同步的描述。在這部分技術(shù)規(guī)范中，未定義物理層中的驅(qū)動器/接收器特性，以便允許根據(jù)具體應(yīng)用，對發(fā)送媒體和信號電平進(jìn)行優(yōu)化。MAC子層是CAN協(xié)議的核心，它描述由LLC子層接收到的報文和對LLC子層發(fā)送的認(rèn)可報文。 MAC子層可響應(yīng)報文幀、仲裁、應(yīng)答、錯誤檢測標(biāo)定。MAC子層由稱為故障界定的一個管理實(shí)時監(jiān)控，它具有識別永久故障或短暫擾動的自檢機(jī)制。LLC子層的主要功能是報文濾波、超載通知和恢復(fù)管理。、從物理結(jié)構(gòu)上看，一個CAN節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成如圖2一3所示。在CAN網(wǎng)絡(luò)中，物理層從結(jié)構(gòu)上可分為三層:分別是物理信號層(P璐， PhysicalSignaling)，物理介質(zhì)附件層(pMA， physiealMediaAitachment)和介質(zhì)接口層(MDI，MediaD叩endentInteiface)。其中PLS層連同數(shù)據(jù)鏈路層功能由CAN控制器完成，PMA層功能由CAN收發(fā)器完成，MDI層定義了電纜和連接器的特性。目前也有支持 CAN的微控制器內(nèi)部集成了CAN控制器和收發(fā)器電路。PMA和MDI兩層有很多不同的國際或國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也可自行定義，比較流行的是 15011898定義的高速CAN發(fā)送/接收器標(biāo)準(zhǔn)。