1、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，第五章，CAN總線通信技術(shù)概述5.1，CAN發(fā)展概述5.1.1現(xiàn)代社會(huì)對(duì)汽車的要求不斷提高，包括：極高的主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性；乘坐舒適；駕駛和使用方便、人性化；特別是低排放、低油耗的要求。將微處理器及其電子控制技術(shù)應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)是滿足這些要求的最佳途徑，并得到了廣泛的應(yīng)用。目前，這些系統(tǒng)包括：防抱死系統(tǒng)、制動(dòng)力分配系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、多功能數(shù)字儀表、主動(dòng)懸架、導(dǎo)航系統(tǒng)、電子防盜系統(tǒng)、自動(dòng)空調(diào)和自動(dòng)光盤播放器等。3，5 . 1 . 1 CAN發(fā)展概述。這些系統(tǒng)由多個(gè)電子控制單元連接而成，電子控制單元可分為控制器、傳感器、執(zhí)行器等。同時(shí)，各種系統(tǒng)相互連接，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)交換正

2、在發(fā)生。因此，有必要使用大量的線束和連接器來(lái)實(shí)現(xiàn)它們之間的互連和數(shù)據(jù)交換。隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，這種需求的增長(zhǎng)是驚人的(如圖)。1、4、5 . 1 . 1 CAN發(fā)展概況由于線束和連接器數(shù)量的增加，整車電子系統(tǒng)的復(fù)雜性越來(lái)越高，其可靠性將難以保證，故障率將增加，維護(hù)將更加困難。為了滿足汽車信息交流的快速增長(zhǎng)，有必要使用車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)多路傳輸。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用串行總線結(jié)構(gòu)，通過(guò)共享總線通道減少線束數(shù)量。除了總線拓?fù)渫猓囕v網(wǎng)絡(luò)還必須具有出色的抗干擾能力；較強(qiáng)的錯(cuò)誤檢測(cè)和處理能力；滿足信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求；同時(shí)，它具有故障診斷和處理的能力。此外，考慮到成本因素，要求其控制接口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于

3、配置。答，5，5 . 1 . 1 CAN發(fā)展概述。20世紀(jì)80年代，博世工程師開(kāi)始研究汽車串行總線系統(tǒng)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒(méi)有一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠完全滿足汽車工程的要求。梅賽德斯-奔馳、英特爾和兩所德國(guó)大學(xué)的教授也參與了這項(xiàng)研究。1986年，博世在汽車工程師協(xié)會(huì)會(huì)議上提出了CAN。1987年，英特爾推出了第一個(gè)CAN控制芯片82526；后來(lái)飛利浦半導(dǎo)體公司推出了82C200。1993年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織11898發(fā)布。此后，CAN協(xié)議被廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制領(lǐng)域。a，6，5 . 1 . 1 CAN發(fā)展概述。1992年，美國(guó)中央情報(bào)局(CIA)建立了用戶組織，隨后第一個(gè)CAN應(yīng)用層“CAL”建立。自19

4、94年以來(lái)，國(guó)際學(xué)術(shù)年會(huì)一直在舉行。1994年，美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)為卡車和公共汽車的控制和通信網(wǎng)絡(luò)建立了基于can的SAEJ1939標(biāo)準(zhǔn)。今天，幾乎所有歐洲生產(chǎn)的汽車都有CAN；高級(jí)總線上有兩套控制器局域網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)互連；1999年，近6000萬(wàn)控制器投入使用。2000年，它售出了1億多塊CAN芯片；2001年，汽車上使用的CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過(guò)了1億。然而，基于CAN總線的汽車控制網(wǎng)絡(luò)仍然是各大公司的獨(dú)立系統(tǒng)，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。一、7、5.1.1現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展概況基于現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用層協(xié)議有兩種常見(jiàn)的應(yīng)用：DeviceNet(適用于工廠底層自動(dòng)化)和CANopen(適用于機(jī)械控制的嵌入式應(yīng)用)。任何

5、組織或個(gè)人都可以從DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會(huì)(ODVA)獲得DeviceNet規(guī)范。購(gòu)買者將獲得開(kāi)發(fā)DeviceNet產(chǎn)品的無(wú)限和真正自由的授權(quán)。自2002年DviceNet被確立為中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，已成功應(yīng)用于冶金、電力、水處理、乳品飲料、煙草、水泥、石化、礦山等行業(yè)，其低成本、高可靠性得到了廣泛認(rèn)可。8、5.1.2 CAN性能特性，有特殊的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898。任何節(jié)點(diǎn)都可以隨時(shí)主動(dòng)發(fā)送。通過(guò)標(biāo)識(shí)符將消息劃分為不同的優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。帶h的消息通過(guò)過(guò)濾消息，可以實(shí)現(xiàn)多種傳輸模式，如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全球廣播。最大速度可達(dá)1Mbps，最大速度可達(dá)10公里，節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110

6、個(gè)，標(biāo)識(shí)符幾乎是無(wú)限的。9 . 5 . 1 . 2 CAN具有幀結(jié)構(gòu)短、傳輸時(shí)間短、干擾概率低的特點(diǎn)，適用于工業(yè)環(huán)境。每一幀信息都采用了CRC校驗(yàn)等檢錯(cuò)措施，數(shù)據(jù)誤碼率極低。通信介質(zhì)(雙絞線、同軸電纜或光纖)選擇靈活，出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)自動(dòng)關(guān)閉輸出，以免影響總線上其他節(jié)點(diǎn)的通信。性價(jià)比高，設(shè)備購(gòu)買方便，節(jié)點(diǎn)價(jià)格低。開(kāi)發(fā)技術(shù)易于掌握，可以充分利用現(xiàn)有的單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具。A，10，5.1.3位表示通信距離，“顯式”位0，“隱式”位1。如果總線上有兩個(gè)以上的驅(qū)動(dòng)器同時(shí)分別發(fā)送“0”和“1”，總線值將顯式為“0”。A，11，CAN總線上兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最大距離，A，12，5.2 CAN技術(shù)規(guī)范。1991年9月

7、，BOSCH公司發(fā)布了can技術(shù)規(guī)范2.0，其中包括兩個(gè)部分：a和B.2.0A給出了CAN消息的標(biāo)準(zhǔn)格式，2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展的消息格式。1993年11月，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織正式頒布為：道路車輛-數(shù)據(jù)信息交換-高速通信控制器局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。2.0B與2.0a完全兼容。所以我們介紹2.0B，A，13，5.2.1基本概念，比特率在給定的CAN系統(tǒng)中，比特率是唯一且固定的。通過(guò)發(fā)送遠(yuǎn)程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可以請(qǐng)求另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀用于仲裁。當(dāng)總線打開(kāi)時(shí)，任何單元都可以開(kāi)始發(fā)送消息，并且使用非破壞性的逐位仲裁規(guī)則來(lái)解決潛在的沖突。在發(fā)送標(biāo)識(shí)符(仲裁區(qū))的過(guò)程中，每個(gè)發(fā)送器監(jiān)控總線上的當(dāng)前電平，并將其

8、與發(fā)送的電平進(jìn)行比較。如果相等，它將繼續(xù)發(fā)送。如果一個(gè)隱藏位(1)被發(fā)送，而一個(gè)顯式位(0)被檢測(cè)到，節(jié)點(diǎn)將失去仲裁并立即停止發(fā)送后續(xù)位。仲裁面積最小的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手將贏得仲裁。A，14，5.2.1逐位仲裁的基本概念標(biāo)識(shí)符，顯式，隱式，丟失仲裁，節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)2，線路上可見(jiàn)，A，15，5.2.2根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)視察模型的分層結(jié)構(gòu)，位編碼/解碼位定時(shí)同步驅(qū)動(dòng)器接收器特性，邏輯鏈路子層LLC接收濾波器過(guò)載通知恢復(fù)管理，媒體訪問(wèn)控制子層媒體訪問(wèn)控制數(shù)據(jù)打包/解包幀編碼媒體訪問(wèn)管理錯(cuò)誤監(jiān)控錯(cuò)誤校準(zhǔn)響應(yīng)串并轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)鏈路層，物理層，故障定義，總線故障管理，監(jiān)視器， a，16，5.2.3消息傳輸及其幀結(jié)構(gòu)5.2.3.1幀

9、格式和幀類型，標(biāo)準(zhǔn)幀11位標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展幀29位標(biāo)識(shí)符幀類型數(shù)據(jù)幀，遠(yuǎn)程幀，錯(cuò)誤幀和過(guò)載幀編碼規(guī)則1)比特填充：發(fā)射機(jī)監(jiān)控傳輸比特流，并自動(dòng)為五個(gè)連續(xù)的相同比特插入一個(gè)補(bǔ)充比特。 (錯(cuò)誤幀、過(guò)載幀和幀結(jié)束標(biāo)志不執(zhí)行位填充)2)17，5.2.3.2數(shù)據(jù)幀由NRZ編碼，它由7個(gè)不同的字段組成。數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度可以是0can2.0b。有兩種幀格式：標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式。為了使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，標(biāo)準(zhǔn)格式可以部分?jǐn)U展，不一定完全擴(kuò)展。整個(gè)標(biāo)識(shí)符可用于消息過(guò)濾。仲裁字段、控制字段、數(shù)據(jù)字段、循環(huán)冗余校驗(yàn)字段、幀間空間、數(shù)據(jù)幀、A、18、數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式、仲裁字段、控制字段、數(shù)據(jù)字段、11位標(biāo)識(shí)符、SOF、RTR

10、、IDE、r0、DLC、18位標(biāo)識(shí)符、r1、R0、SRR、A、19、數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式、幀的開(kāi)始(SOF)僅由一個(gè)顯式位組成。所有站必須與第一次傳輸同步的幀前沿的仲裁字段(標(biāo)準(zhǔn)格式)由11位標(biāo)識(shí)符ID28 ID18和遠(yuǎn)程傳輸請(qǐng)求位RTR組成，其中ID的高7位不能全部為1(隱式)。仲裁字段(擴(kuò)展格式)由29位標(biāo)識(shí)符ID28 ID0、SRR位、ide位和RTR位組成。SRR是一個(gè)隱式位，它被用來(lái)代替標(biāo)準(zhǔn)格式的RTR位。集成開(kāi)發(fā)環(huán)境=1(隱式)代表擴(kuò)展格式。集成開(kāi)發(fā)環(huán)境位以擴(kuò)展格式位于仲裁字段中，以標(biāo)準(zhǔn)格式位于控制字段中。A，20，數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式，控制字段由6位組成，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼D

11、LC3DLC0表示數(shù)據(jù)字段的字節(jié)數(shù)，08。不允許使用其他值。保留位r1和r0必須為0，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(標(biāo)準(zhǔn)格式)=0。數(shù)據(jù)字段：08字節(jié)，8位/字節(jié)。MSB第一個(gè)循環(huán)冗余校驗(yàn)字段由15位循環(huán)冗余校驗(yàn)序列和1位循環(huán)冗余校驗(yàn)分隔符組成。循環(huán)冗余校驗(yàn)限定符是一個(gè)隱式位。保留位、控制字段、數(shù)據(jù)字段或循環(huán)冗余校驗(yàn)字段、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼、仲裁字段、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境/R1、R0、DLC3、DLC2、DLC1、DLC 0、A、21、數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式，響應(yīng)字段為2位。在響應(yīng)間隔時(shí)間內(nèi)，發(fā)送器發(fā)送一個(gè)隱藏位；所有正確接收有效消息的接收器都發(fā)送一個(gè)指示位。響應(yīng)分隔符是隱藏位(1)。幀結(jié)束：它由7個(gè)隱藏位組成，沒(méi)有位

12、填充。在7.2.3.3，需要遠(yuǎn)程幀中的數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送遠(yuǎn)程幀，并請(qǐng)求另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。遠(yuǎn)程幀的RTR位是隱式的，它沒(méi)有數(shù)據(jù)字段，因此數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼沒(méi)有意義。A，22，5.2.3.4錯(cuò)誤幀，錯(cuò)誤幀由兩個(gè)不同的字段組成，第一個(gè)字段是不同站提供的錯(cuò)誤標(biāo)記的疊加，第二個(gè)字段是錯(cuò)誤定界符。有兩種錯(cuò)誤標(biāo)志，主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志(6個(gè)顯式位)和被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志(6個(gè)隱式位)。檢測(cè)到錯(cuò)誤狀態(tài)的“錯(cuò)誤激活”站發(fā)送激活的錯(cuò)誤標(biāo)志，這樣所有其他站將檢測(cè)到錯(cuò)誤狀態(tài)并開(kāi)始發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志。多達(dá)12個(gè)主要位疊加在一起，錯(cuò)誤標(biāo)志、錯(cuò)誤分隔符、幀間間隔或過(guò)載幀、錯(cuò)誤幀、數(shù)據(jù)幀、錯(cuò)誤標(biāo)志、A、23、5.2.3.4錯(cuò)誤幀、檢測(cè)到的錯(cuò)誤

13、條件。從那時(shí)起，我們等待6個(gè)具有相同極性的位。一旦我們等待，被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志就完成了。錯(cuò)誤限定符包括8個(gè)隱性位。在一個(gè)站發(fā)送一個(gè)錯(cuò)誤標(biāo)志后，它發(fā)送一個(gè)隱藏位并監(jiān)視總線，直到它找到一個(gè)隱藏位并發(fā)送剩余的7個(gè)隱藏位。A、24、5.2.3.5過(guò)載幀，包括兩個(gè)字段：過(guò)載標(biāo)志(6個(gè)顯式位及其疊加)和過(guò)載定義符(8個(gè)隱式位)，導(dǎo)致發(fā)送過(guò)載標(biāo)志的情況：接收方需要延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀，在間歇字段的第一位或第二位檢測(cè)到與活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志形式相同的顯式位過(guò)載標(biāo)志。一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送過(guò)載標(biāo)志，而其他站點(diǎn)發(fā)送過(guò)載標(biāo)志。重載限定符的形式與錯(cuò)誤限定符相同。發(fā)送過(guò)載標(biāo)志后，站監(jiān)控總線，直到發(fā)現(xiàn)從顯式位到隱式位的跳轉(zhuǎn)，然后發(fā)送剩余的7

14、個(gè)隱式位。過(guò)載標(biāo)志、過(guò)載定界符、幀間空間或過(guò)載幀、過(guò)載幀、幀尾或錯(cuò)誤定界符或過(guò)載定界符、過(guò)載標(biāo)志的重疊，A，25，5.2.3.6幀間空間，用于數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀。但是，對(duì)于過(guò)載幀或錯(cuò)誤幀，沒(méi)有幀間空間的間歇字段與前一幀分開(kāi)，由三個(gè)隱藏位組成。不允許在間歇場(chǎng)期間開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀?？偩€空閑周期可以是任何長(zhǎng)度。這時(shí)，公共汽車是開(kāi)著的，任何車站都可以隨時(shí)發(fā)送。間歇字段、總線空閑、幀、幀間空間、A、26、5.2.4錯(cuò)誤類型和定義、五種錯(cuò)誤類型：位錯(cuò)誤：發(fā)送器監(jiān)控總線位值與發(fā)送的位值不同。仲裁字段填充位和回復(fù)間隙發(fā)送隱藏位，但是當(dāng)檢測(cè)到顯式位時(shí)，會(huì)出現(xiàn)異常填充錯(cuò)誤：第六個(gè)相同的位出現(xiàn)在應(yīng)該填充位的位置。

15、循環(huán)冗余校驗(yàn)錯(cuò)誤：計(jì)算結(jié)果與接收到的循環(huán)冗余校驗(yàn)不同：在固定位字段中出現(xiàn)非法位響應(yīng)錯(cuò)誤：在響應(yīng)間隙中，發(fā)送器沒(méi)有檢測(cè)到顯式位，A，27，5.2.4錯(cuò)誤類型和定義，檢測(cè)到循環(huán)冗余校驗(yàn)錯(cuò)誤，錯(cuò)誤標(biāo)志應(yīng)該在響應(yīng)限定符之后發(fā)送；如果檢測(cè)到其他錯(cuò)誤，應(yīng)在下一位發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志。節(jié)點(diǎn)有三種故障狀態(tài)：錯(cuò)誤主動(dòng)、錯(cuò)誤被動(dòng)和總線關(guān)閉。在正常情況下，節(jié)點(diǎn)是“錯(cuò)誤激活”站。當(dāng)這樣的站檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，它們發(fā)送活動(dòng)的錯(cuò)誤標(biāo)志。當(dāng)這樣的站點(diǎn)檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，它們只能發(fā)送被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。當(dāng)有太多錯(cuò)誤時(shí)，節(jié)點(diǎn)變?yōu)椤翱偩€關(guān)閉”。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)不能對(duì)總線有任何影響(例如關(guān)閉輸出驅(qū)動(dòng)器)。a，28 5.2.4錯(cuò)誤類型和定義，為了定義故障，每個(gè)節(jié)點(diǎn)

16、有兩個(gè)計(jì)數(shù)：發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)和接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)，根據(jù)以下規(guī)則計(jì)數(shù)：當(dāng)接收機(jī)檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器加1，接收機(jī)在發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志后的第一位檢測(cè)到一個(gè)顯式位，而當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志時(shí)，接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器加8。 發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器加8發(fā)出錯(cuò)誤標(biāo)志或過(guò)載標(biāo)志，發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器加8，發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器減少1，A，29，5.2.4錯(cuò)誤類型和定義在消息成功發(fā)送后，接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器在消息成功接收后減少1，但是如果它是127，它被設(shè)置為發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器127或接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器127在119和127之間。 該節(jié)點(diǎn)被設(shè)置為“錯(cuò)誤被動(dòng)”狀態(tài)以發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器255，并且該節(jié)點(diǎn)被設(shè)置為“總線關(guān)閉”狀態(tài)。兩個(gè)計(jì)數(shù)器都小于或等于127。錯(cuò)誤被動(dòng)節(jié)點(diǎn)被

17、設(shè)置為錯(cuò)誤主動(dòng)節(jié)點(diǎn)。在總線上檢測(cè)到11個(gè)連續(xù)的隱藏位128次后，總線閉合節(jié)點(diǎn)成為錯(cuò)誤活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器清零。a、30、5.2.5位是定時(shí)和同步的。標(biāo)稱位時(shí)間分為：同步段同步段用于同步每個(gè)節(jié)點(diǎn)，傳播段用于補(bǔ)償正常情況下網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲。采樣點(diǎn)讀取的電平代表該位的電平，同步部分，4個(gè)時(shí)間份額，1個(gè)時(shí)間份額，1位時(shí)間=10個(gè)時(shí)間份額，傳播部分，1個(gè)時(shí)間份額，4個(gè)時(shí)間份額5.2.5位定時(shí)和同步，時(shí)間份額除以振蕩器周期。每個(gè)時(shí)間段的長(zhǎng)度為：同步段1份額、傳播段18份額、相位緩沖段1和18份額、相位緩沖段2和最大值(相位緩沖段1，信息處理時(shí)間)，其中信息處理時(shí)間=2份額。一個(gè)位的總時(shí)間份額為825，可以編程。同步規(guī)則：當(dāng)總線空閑時(shí)，只要檢測(cè)到隱性到顯性的邊緣，就會(huì)執(zhí)行硬同步(以此邊緣為同步段)；當(dāng)總線不空閑時(shí)，如果邊沿落在同步段之外，將根據(jù)它與同步段的差異進(jìn)行再同步：32，5.2.5位定時(shí)和同步；再同步情況：邊緣落在同步段之后，