工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教案第1頁(yè)課程題目第12講現(xiàn)場(chǎng)總線——CAN（2）CAN總線的位定時(shí)與位同步、CAN總線報(bào)文傳送及其幀類型、錯(cuò)誤類型及定界課時(shí)2學(xué)時(shí)教學(xué)目的：1．了解CAN總線報(bào)文傳送及其幀類型、錯(cuò)誤類型和界定；2.掌握CAN總線的位定時(shí)與位同步。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)：CAN總線的報(bào)文傳送及其幀類型、錯(cuò)誤類型和界定；難點(diǎn)：CAN總線的位定時(shí)與位同步。教學(xué)方法與手段：方法：講授法；手段：課堂教學(xué)。教學(xué)內(nèi)容與課時(shí)分配：1．CAN總線的位定時(shí)與位同步；1學(xué)時(shí)2.CAN總線報(bào)文傳送及其幀類型、錯(cuò)誤類型及定界。1學(xué)時(shí)教具：作業(yè)與思考：教學(xué)后記：備注教學(xué)內(nèi)容工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教案第10頁(yè)備注教學(xué)內(nèi)容第12講現(xiàn)場(chǎng)總線——CAN（2）一、CAN總線的位定時(shí)圖5-10CAN總線的位定時(shí)二、CAN總線的位同步同步段（SYNC-SEG）——用于使總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)同步。期望有一個(gè)跳變沿位于此段內(nèi)。傳播段(PROP-SEG)——用于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的物理延時(shí)。它是信號(hào)在總線上傳播時(shí)間的兩倍與輸入比較器延時(shí)和輸出驅(qū)動(dòng)器延時(shí)之和。相位緩沖段1(PHASE-SEG1)和相位緩沖段2(PHASE-SEG2)——用于補(bǔ)償沿的相位誤差，使總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)同步。通過(guò)重同步，這2個(gè)時(shí)間段可被延長(zhǎng)或縮短。采樣點(diǎn)(SamplePoint)——是這樣一個(gè)時(shí)刻，在此時(shí)刻上，總線電平被讀，并被理解為其自身位的數(shù)值。它位于相位緩沖段1的終點(diǎn)。信息處理時(shí)間——是由采樣點(diǎn)開(kāi)始、為計(jì)算后續(xù)位電平而保留的時(shí)間段。時(shí)間份額(TimeQuantum)——是由振蕩器周期派生出的一個(gè)固定時(shí)間單元。存在一個(gè)可編程的預(yù)引比例因子，其整個(gè)數(shù)值范圍至少由1至32，以最小時(shí)間份額為起點(diǎn)，時(shí)間份額可為：時(shí)間份額=m×最小時(shí)間份額m為預(yù)引比例因子同步段：1個(gè)時(shí)間份額；傳播段：1~8個(gè)時(shí)間份額；相位緩沖段1：1~8個(gè)時(shí)間份額；相位緩沖段2：相位緩沖段1和信息處理時(shí)間的最大值；信息處理時(shí)間：≤2個(gè)時(shí)間份額；時(shí)間份額總數(shù)：8~25。由于各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)所使用的振蕩器頻率不可能都是精確的理想值，一般都與其存在著一定的誤差，使得發(fā)送器與接收器各自對(duì)位時(shí)間的理解實(shí)際上存在差異。又由于CAN總線使用了NRZ編碼，若沒(méi)有一定的位定時(shí)機(jī)制，隨著累積誤差的增大，就會(huì)發(fā)生同步問(wèn)題。硬同步與重同步就是用于準(zhǔn)確位定時(shí)的保障機(jī)制。1、硬同步硬同步：只發(fā)生在幀起始的位置。硬同步后，內(nèi)部位時(shí)間從同步段重新開(kāi)始。因而，硬同步強(qiáng)迫引起硬同步的沿處于重新開(kāi)始的位時(shí)間同步段之內(nèi)。圖5-11CAN總線的位同步時(shí)刻重同步：發(fā)生在幀內(nèi)。通過(guò)在每個(gè)位時(shí)間內(nèi)采樣總線，并與前一個(gè)采樣點(diǎn)處的總線電平做比較，可以檢測(cè)到跳變沿。如果跳變沿發(fā)生在同步段內(nèi)，那么認(rèn)為接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)是同步的；否則說(shuō)明二者不同步，需要進(jìn)行重同步。重同步的目的是通過(guò)延長(zhǎng)相位緩沖段1或縮減相位緩沖段2來(lái)控制跳變沿和采樣點(diǎn)之間的距離，以補(bǔ)償振蕩器誤差。CAN2.0規(guī)范規(guī)定：“隱性”至“顯性”的跳變沿（和在低位速率的情況下，選擇的“顯性”至“隱性”的跳變沿）都將被用于重同步。沿相位誤差e：由沿相對(duì)于當(dāng)前同步段（SYNC-SEG）的位置給定，計(jì)為時(shí)間份額的整數(shù)倍?！粞靥幱赟YNC-SEG之內(nèi)，則e=0；——若沿處于采樣點(diǎn)之前，則e>0；——若沿處于前一位的采樣點(diǎn)之后，則e<0。重同步跳轉(zhuǎn)寬度（SJW）用于設(shè)定相位緩沖段延長(zhǎng)或縮短的上限，應(yīng)被編程為1~4個(gè)時(shí)間份額，并且不能長(zhǎng)于任何一個(gè)相位緩沖段長(zhǎng)度。2、重同步規(guī)則：當(dāng)e>0時(shí)，相位緩沖段1要延長(zhǎng)。如果e<SJW，相位緩沖段1要延長(zhǎng)e；否則延長(zhǎng)SJW；當(dāng)e<0時(shí)，相位緩沖段2要縮減。如果e<SJW，相位緩沖段1要縮減e，否則縮減SJW；當(dāng)e<SJW時(shí)，重同步和硬同步的效果是一樣的。如果e>SJW，一次重同步不能充分補(bǔ)償e，尚存在誤差（e-SJW）。圖5-12CAN總線的位同步節(jié)點(diǎn)3、同步規(guī)則(SynchronizationRules)：①在一個(gè)位時(shí)間內(nèi)僅允許一種同步。②只要在先前采樣點(diǎn)上檢測(cè)到的數(shù)值與一個(gè)沿過(guò)后立即得到的總線數(shù)值不同，則該沿將被用于同步。③在總線空閑期間，無(wú)論何時(shí)，當(dāng)存在一個(gè)“隱性”至“顯性”的跳變沿，則執(zhí)行一次硬同步。④所有履行規(guī)則①和②的其它“隱性”至“顯性”的跳變沿（和在低位速率的情況下，選擇的“顯性”至“隱性”的跳變沿）都將被用于重同步。三、報(bào)文傳送及其幀類型接收器/發(fā)送器發(fā)出一個(gè)報(bào)文的單元稱為該報(bào)文的發(fā)送器。若一個(gè)單元不是某個(gè)報(bào)文的發(fā)送器，并且總線不處于空閑狀態(tài)，則稱該單元為該報(bào)文的接收器。報(bào)文的有效性對(duì)于發(fā)送器而言，如果直到“幀結(jié)束”終結(jié)一直未出錯(cuò)，則報(bào)文有效。對(duì)于接收器而言，如果直到最后（除“幀結(jié)束”的那一位）一直未出錯(cuò)，則報(bào)文有效。位流編碼構(gòu)成一幀的幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)和CRC序列均借助位填充規(guī)則進(jìn)行編碼。無(wú)論何時(shí)，當(dāng)發(fā)送器在將被發(fā)送的位流中檢測(cè)到數(shù)值相同的5個(gè)連續(xù)位時(shí)，會(huì)自動(dòng)地在實(shí)際的發(fā)送位流中插入一個(gè)補(bǔ)碼位。數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的其余位場(chǎng)（CRC界定符，應(yīng)答場(chǎng)和幀結(jié)束）具有固定格式，不進(jìn)行填充。錯(cuò)誤幀和超載幀同樣具有固定格式，并且不用位填充規(guī)則編碼。報(bào)文中的位流按照不歸零碼規(guī)則編碼，在一個(gè)完整的位時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的位電平要么是“顯性”，要么是“隱性”。幀類型數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器至接收器；遠(yuǎn)程幀通過(guò)總線單元發(fā)送，以請(qǐng)求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀；錯(cuò)誤幀由檢測(cè)到總線錯(cuò)誤的任何單元發(fā)送；超載幀用于提供當(dāng)前的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間的附加延遲。數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位場(chǎng)(BitFrame)組成：幀起始(StartofFrame)；仲裁場(chǎng)(ArbitrationField)；控制場(chǎng)(ControlField)；數(shù)據(jù)場(chǎng)(DataField)；CRC場(chǎng)(CRCField)；應(yīng)答場(chǎng)(ACKField)；幀結(jié)束(EndofField)。數(shù)據(jù)幀(DataFrame)圖5-13數(shù)據(jù)幀(DataFrame)幀起始(SOF—StartOfFrame)：標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，它僅由一個(gè)“顯性”位構(gòu)成。仲裁場(chǎng)：由標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求（RTR）位組成圖5-14仲裁場(chǎng)標(biāo)識(shí)符(Identifier)的長(zhǎng)度為11位。這些位以ID-10至ID-0的順序發(fā)送，最低位為ID-0，其中最高7位（ID-10~ID-4）必須不是全“隱性”。RTR位（RemoteTransmissionRequestBit）在數(shù)據(jù)幀中，必須是“顯性”的，而在遠(yuǎn)程幀中，RTR位必須是“隱性”的?？刂茍?chǎng)：由6位組成，包括兩個(gè)用于將來(lái)擴(kuò)展的保留位和4位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼。圖5-15控制場(chǎng)表5-2數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼中數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)目編碼數(shù)據(jù)場(chǎng)：由數(shù)據(jù)幀中被發(fā)送的數(shù)據(jù)組成，它可包括0至8個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)包括8位，其中首先發(fā)送最高有效位。CRC場(chǎng)：包括CRC序列、CRC界定符。圖5-16CRC場(chǎng)CRC場(chǎng)：參加CRC檢驗(yàn)的位場(chǎng)包括幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)（假若存在）在內(nèi)的無(wú)填充位流。CRC序列后隨CRC界定符，它只包括一個(gè)“隱性”位。應(yīng)答場(chǎng)：為兩位長(zhǎng)度，包括應(yīng)答間隙和應(yīng)答界定符。圖5-17應(yīng)答場(chǎng)應(yīng)答場(chǎng)：在應(yīng)答場(chǎng)中發(fā)送站送出兩個(gè)“隱性”位。一個(gè)正確地接收到有效報(bào)文的接收器，在應(yīng)答間隙期間，通過(guò)傳送一個(gè)“顯性”位將此信息報(bào)告給發(fā)送器（接收器發(fā)送“應(yīng)答”）。所有接收到匹配CRC序列的站，在應(yīng)答間隙期間通過(guò)把“顯性”位寫入發(fā)送器的“隱性”位來(lái)報(bào)告此信息。應(yīng)答界定符是應(yīng)答場(chǎng)的第二位，并且必須是“隱性”位。因此，應(yīng)答間隙被兩個(gè)“隱性”位（CRC界定符和應(yīng)答界定符）包圍。幀結(jié)束：每個(gè)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀均是由7個(gè)“隱性”位組成的標(biāo)志序列界定的。遠(yuǎn)程幀(RemoteFrame)遠(yuǎn)程幀由6個(gè)不同的位場(chǎng)組成：幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)和幀結(jié)束。圖5-18遠(yuǎn)程幀錯(cuò)誤幀(ErrorFrame)錯(cuò)誤幀由兩個(gè)不同位場(chǎng)組成：來(lái)自各站的錯(cuò)誤標(biāo)志(ErrorFlage)；錯(cuò)誤界定符(ErrorDelimiter)。圖5-19錯(cuò)誤幀2、錯(cuò)誤標(biāo)志具有兩種形式：激活錯(cuò)誤標(biāo)志(ActiveErrorFlag)：由6個(gè)連續(xù)的“顯性”位組成；認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志（PassiveErrorFlag）：由6個(gè)連續(xù)的“隱性”位組成，除非它被來(lái)自其它節(jié)點(diǎn)的“顯性”位改寫。一個(gè)檢測(cè)到錯(cuò)誤狀態(tài)的“錯(cuò)誤激活”站通過(guò)發(fā)送一個(gè)激活錯(cuò)誤標(biāo)志來(lái)標(biāo)注該錯(cuò)誤。這一錯(cuò)誤標(biāo)志形式違背適用于由幀起始至CRC界定符的所有場(chǎng)的位填充規(guī)則，或者破壞了應(yīng)答場(chǎng)或幀結(jié)束場(chǎng)的固定形式。因而，所有其它站將檢測(cè)到錯(cuò)誤狀態(tài)，并且由它們的部件開(kāi)始發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志。這樣，在總線上實(shí)際被監(jiān)視到的“顯性”位序列是由各個(gè)單獨(dú)站發(fā)送的不同錯(cuò)誤標(biāo)志疊加而形成的。該序列的總長(zhǎng)度在最小值6位和最大值12位之間變化。一個(gè)檢測(cè)到錯(cuò)誤狀態(tài)的“錯(cuò)誤認(rèn)可”站通過(guò)發(fā)送一個(gè)認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志來(lái)試圖標(biāo)注該錯(cuò)誤。該“錯(cuò)誤認(rèn)可”站以認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志的開(kāi)始為起點(diǎn)等待6個(gè)相同極性的連續(xù)位。當(dāng)檢測(cè)到6個(gè)相同位后，認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志即告完成。錯(cuò)誤界定符包括8個(gè)“隱性”位。錯(cuò)誤標(biāo)志發(fā)送后，每個(gè)站都送出“隱性”位并監(jiān)視總線，直至檢測(cè)到一個(gè)“隱性”位。此后，開(kāi)始發(fā)送剩余的7個(gè)“隱性”位。超載幀包括兩個(gè)位場(chǎng)：超載標(biāo)志和超載界定符。存在兩種導(dǎo)致發(fā)送超載標(biāo)志的超載條件：一個(gè)是接收器的內(nèi)部條件，接收器要求下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的延遲；另一個(gè)是在間歇場(chǎng)（幀間空間）檢測(cè)到“顯性”位。圖5-20超載幀6）超載幀(OverloadFrame)由前一個(gè)超載條件引起的超載幀起點(diǎn)，僅允許在期望間歇場(chǎng)（幀間空間）的第一位時(shí)間開(kāi)始；而由后一個(gè)超載條件引起的超載幀在檢測(cè)到“顯性”位后開(kāi)始發(fā)送第一位。最多可產(chǎn)生2個(gè)超載幀用于延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀。超載標(biāo)志(OverloadFlage)由6個(gè)“顯性”位組成。全部形式對(duì)應(yīng)于激活錯(cuò)誤標(biāo)志形式。超載標(biāo)志形式破壞了間歇場(chǎng)的固定形式。因而，所有其它站都將檢測(cè)到一個(gè)超載條件，并且由它們的部件開(kāi)始發(fā)送超載標(biāo)志。超載界定符(OverloadDelimiter)由8個(gè)“隱性”位組成。超載界定符與錯(cuò)誤界定符具有相同的形式。發(fā)送超載標(biāo)志后，站監(jiān)視總線直至檢測(cè)到由“顯性”到“隱性”位的發(fā)送。在此時(shí)刻，總線上的每個(gè)站均完成送出其超載標(biāo)志，并且所有站一致地開(kāi)始發(fā)送剩余的7個(gè)“隱性”位。7）幀間空間(InterframeSpace)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀與其前面的幀（數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀或超載幀）均以稱為幀間空間的位場(chǎng)分隔開(kāi)。在超載幀和錯(cuò)誤幀前面沒(méi)有幀間空間，并且多個(gè)超載幀也不被幀間空間分隔。數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀與其前面的幀（數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀或超載幀）均以稱為幀間空間的位場(chǎng)分隔開(kāi)。在超載幀和錯(cuò)誤幀前面沒(méi)有幀間空間，并且多個(gè)超載幀也不被幀間空間分隔。幀間空間包括間歇場(chǎng)和總線空閑場(chǎng)，對(duì)于已經(jīng)發(fā)送先前報(bào)文的“錯(cuò)誤認(rèn)可”站還有暫停發(fā)送場(chǎng)(SuspendTransmission)。間歇場(chǎng)(IntermissionField)由3個(gè)“隱性”位組成。間歇場(chǎng)期間，不允許任何站啟動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀。唯一的作用是標(biāo)注超載條件總線空閑場(chǎng)(BusIdleField)持續(xù)時(shí)間可為任意長(zhǎng)度。此時(shí)，總線是開(kāi)放的，因而任何需要發(fā)送的站均可訪問(wèn)總線。在其它報(bào)文發(fā)送期間，待發(fā)送的報(bào)文，在間歇場(chǎng)后的第一位開(kāi)始發(fā)送。檢測(cè)到總線上的一個(gè)“顯性”位將理解為幀起始。暫停發(fā)送場(chǎng)(SuspendTransmissionField)：“錯(cuò)誤認(rèn)可”站發(fā)完一個(gè)報(bào)文后，在開(kāi)始下一次報(bào)文發(fā)送或認(rèn)可總線空閑之前，它緊隨間歇場(chǎng)后送出8個(gè)“隱性”位。如果在此期間其它站開(kāi)始一次發(fā)送，該站將變?yōu)閳?bào)文接收器。圖5-21幀空間兩種構(gòu)成四、錯(cuò)誤類型和界定