工业控制网络03李中伟.ppt

工 业 控 制 网 络（现场总线）主讲教师：李中伟,1 概述,CAN（Controller Area Network，控制器局域网）是20世纪80年代（1983）德国Bosch（博世）公司为解决众多的测量控制部件之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信总线。CAN已成为国际标准ISO11898和ISO11519。,哈工大网络与电气智能化研究所,哈工大网络与电气智能化研究所,1 概述,CAN的发展历程：,哈工大网络与电气智能化研究所,以CiA推出的CAN Specification 2.0为底层的高层协议有：CAN KingdomDeviceNetCANopenSAE J1939SDS,1 概述,1 概述,CAN在汽车电子系统中得到了广泛应用，已成为世界汽车制造业的主体行业标准，代表着汽车电子控制网络的主流发展趋势。世界上一些著名的汽车制造厂商都已采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测及执行机构间的数据通信。如BENZ（奔驰）、BMW（宝马）、PORSCHE（保时捷）、ROLIS-ROYCE（劳斯莱斯）、JAGUAR（美洲豹）和MAZDA（马自达）等都。,哈工大网络与电气智能化研究所,1 概述,CAN与其他现场总线相比，具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其技术特点如下：(1)CAN从本质上讲是一种多主或对等网络，网络上任一节点均可主动发送报文。(2)废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据进行编码；通过报文过滤，可实现点对点、多点播送（传送）、广播等几种数据传送方式。,哈工大网络与电气智能化研究所,1 概述,(3)采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低。(4)具有多种检错措施及相应的处理功能，检错效果极好，处理功能很强，保证了通信的高可靠性。位错误和位填充错误检测、CRC校验、报文格式检查和应答错误检测及相应的错误处理。(5)通信介质（媒体）可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。,哈工大网络与电气智能化研究所,1 概述,(6)总线长度可达10km（速率为5kbps及其以下）；网络速度可达1Mbps（总线长度为40m及其以下）。(7)网络上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；标准格式的报文标识符可达2032个，而扩展格式的报文标识符的个数几乎不受限制。,哈工大网络与电气智能化研究所,1 概述,(8)通过报文标识符来定义节点报文的优先级。对于实时性要求不同的节点报文，可定义不同级别的优先级，从而保证高优先级的节点报文得到优先发送。(9)采用非破坏性逐位仲裁机制来解决总线访问冲突。通过采用这种机制，即使在网络负载很重时，也不会出现网络瘫痪现象。(10)发生严重错误的节点具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节点的通信能够继续进行。,哈工大网络与电气智能化研究所,1 概述,CAN最初虽然是为汽车的监测、控制系统而设计的，但由于它在性能、可靠性等方面的突出优势，现已广泛应用于航天、电力、石化、冶金、纺织、造纸、仓储等行业。如在自动化仪表、智能传感器、数控机床、医疗器械、机器人、楼宇自动化装置、火车、轮船等元件、设备、设施中，CAN总线都得到了良好的应用。,哈工大网络与电气智能化研究所,2 CAN 节点的分层结构,哈工大网络与电气智能化研究所,3 CAN物理层,3.1 CAN总线典型电平,哈工大网络与电气智能化研究所,显性电平（Dominant）：逻辑“0”隐性电平（Recessive）：逻辑“1”ISO 11898中规定：在隐性状态下：VCAN-H=VCAN-L=2.5V，Vdiff=0V在显性状态下：VCAN-H=3.5V，VCAN-L=1.5V，Vdiff=2V,3.1 总线典型电平,哈工大网络与电气智能化研究所,3.1 总线典型电平,哈工大网络与电气智能化研究所,3.1 总线典型电平,哈工大网络与电气智能化研究所,3.1 总线典型电平,哈工大网络与电气智能化研究所,3.2 CAN接插件管脚分配,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3 CAN总线终端电阻120 10%，ISO 11898,哈工大网络与电气智能化研究所,3.4 CAN总线使用的编码NRZ编码（非归零编码），5位1填充。3.5 CAN总线的位速率5k1M（bps）3.6 CAN总线长度40m10km,哈工大网络与电气智能化研究所,CAN总线位速率与总线长度的关系：,哈工大网络与电气智能化研究所,哈工大网络与电气智能化研究所,主要影响因素：（1）CAN总线要求发送器在发送每一位的同时，都要监视总线电平，用以确定是否发送器竞争发送权失败，是否总线发生了位错误，是否获得了应答；（2）为实现（1）中的目的，要考虑传播延时的影响。铜导线中，电信号的传播速度是光速的2/3；（3）还要考虑发送器延时、接收器延时，以及可靠采样的要求。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.7 CAN总线的位定时,哈工大网络与电气智能化研究所,同步段用于使总线上的各个节点同步。期望有一个跳变沿位于此段内。传播段用于补偿网络内的物理延时。它是信号在总线上传播时间的两倍与输入比较器延时和输出驱动器延时之和。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.7 CAN总线的位定时,相位缓冲段1和相位缓冲段2用于补偿沿的相位误差，使总线上的各个节点同步。通过重同步，这2个时间段可被延长或缩短。采样点是这样一个时刻，在此时刻上，总线电平被读，并被理解为其自身位的数值。它位于相位缓冲段1的终点。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.7 CAN总线的位定时,信息处理时间是由采样点开始、为计算后续位电平而保留的时间段。时间份额是由振荡器周期派生出的一个固定时间单元。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.7 CAN总线的位定时,同步段：1个时间份额；传播段：18个时间份额；相位缓冲段1：18个时间份额；相位缓冲段2：相位缓冲段1和信息处理时间的最大值；信息处理时间：2个时间份额；时间份额总数：825,哈工大网络与电气智能化研究所,3.7 CAN总线的位定时,由于各个CAN节点所使用的振荡器频率不可能都是精确的理想值，一般都与其存在着一定的误差，使得发送器与接收器各自对位时间的理解实际上存在差异。又由于CAN总线使用了NRZ编码，若没有一定的位定时机制，随着累积误差的增大，终归会使接收器错误地采样到总线上的其它位上。硬同步与重同步就是用于准确位定时的保障机制。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.8 CAN总线的位同步,3.8 CAN总线的位同步硬同步：只发生在帧起始的位置。硬同步后，内部位时间从同步段重新开始。因而，硬同步强迫引起硬同步的沿处于重新开始的位时间同步段之内。,哈工大网络与电气智能化研究所,重同步：发生在帧内。通过在每个时间段采样总线，并与前一个采样点处的总线电平做比较，可以检测到跳变沿。如果跳变沿发生在同步段内，则认为接收节点与发送节点是同步的；否则说明二者不同步，需要进行重同步。重同步的目的是通过延长相位缓冲段1或缩减相位缓冲段2来控制跳变沿和采样点之间的距离，以补偿振荡器误差。CAN2.0规范规定：只有隐性电平到显性电平的跳变沿才用于重同步。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.8 CAN总线的位同步,沿相位误差e：由沿相对于当前同步段的位置给定，计为时间份额的整数倍。如果沿出现在当前同步段之前，e被计为负，如果沿出现在当前同步段之后，e被计为正。重同步跳转宽度（SJW）用于设定相位缓冲段延长或缩短的上限，应被编程为14个时间份额，并且不能长于任何一个相位缓冲段长度。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.8 CAN总线的位同步,重同步规则：当e0时，相位缓冲段1要延长。如果eSJW，重同步不能充分补偿e，误差（e-SJW）仍然存在。,哈工大网络与电气智能化研究所,哈工大网络与电气智能化研究所,3.8 CAN总线的位同步,同步规则(Synchronization Rules)：在一个位时间内仅允许一种同步。只要在先前采样点上检测到的数值与一个沿过后立即得到的总线数值不同，则该沿将被用于同步。在总线空闲期间，无论何时当存在一个“隐性”至“显性”的跳变沿，则执行一次硬同步。所有履行规则和的其它“隐性”至“显性”的跳变沿（和在低位速率的情况下，选择的“显性”至“隐性”的跳变沿）都将被用于重同步。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.8 CAN总线的位同步,3.9 CAN总线的振荡器容差由于只有当eSJW时，发送器与接收器之间的振荡器误差才能得以充分补偿，其它情况下只是得到部分补偿，并可能会引起接收器读取的数值与发送器发送的实际数值不一致。因此，接收器中CAN位定时参数设计的目的就是要使其在满足总线通信速率的同时，最大可能地去适应发送器与接收器之间的振荡器误差。,哈工大网络与电气智能化研究所,约束条件：根据CAN2.0规范，振荡器最大容许误差可至1.58%。,哈工大网络与电气智能化研究所,1.若一个CAN节点在间歇场的第3位采样到一个显性位，则它将此位理解为帧起始位；2.若一个CAN节点有一个等待发送的报文，且它在间歇场的第3位采样到一个显性位则它将此位理解为帧起始位，并在下一位以其标识符的第一位开始发送报文，而不是首先发送帧起始位，也不变成为接收器；3.若一个CAN节点在错误界定符或超载界定符的第8位（最后一位）采样到一个显性位，它将在下一位开始发送一个超载帧（不是错误帧），错误计数器不增加；,哈工大网络与电气智能化研究所,3.9 CAN总线的振荡器容差,4.仅隐性至显性的跳变沿用于同步，为了与当前规范相统一，以下规则仍有效；5.硬同步时，所有CAN控制器均同步于帧起始位；6.没有CAN控制器发送帧起始位，直至它计完间歇场的3个隐性位。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.9 CAN总线的振荡器容差,4 报文传送及其帧类型,接收器/发送器发出一个报文的单元称为该报文的发送器。若一个单元不是某个报文的发送器，并且总线不处于空闲状态，则称该单元为该报文的接收器。,哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,报文的有效性对于发送器而言，如果直到“帧结束”终结一直未出错，则报文有效。对于接收器而言，如果直到最后（除“帧结束”的那一位）一直未出错，则报文有效。,哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,位流编码构成一帧的帧起始、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。无论何时，当发送器在将被发送的位流中检测到数值相同的5个连续位时，会自动地在实际的发送位流中插入一个补码位。数据帧或远程帧的其余位场（CRC界定符，应答场和帧结束）具有固定格式，不进行填充。错误帧和超载帧同样具有固定格式，并且不用位填充规则编码。报文中的位流按照非归零码规则编码，在一个完整的位时间内，产生的位电平要么是“显性”，要么是“隐性”。,哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,帧类型数据帧携带数据由发送器至接收器；远程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；错误帧由检测到总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前的和后续的数据帧或远程帧之间的附加延迟。,哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,数据帧由7个不同的位场(Bit Frame)组成：帧起始(Start of Frame)仲裁场(Arbitration Field)控制场(Control Field)数据场(Data Field)CRC场(CRC Field)应答场(ACK Field)帧结束(End of Field),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,数据帧(Data Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,帧起始(SOFStart Of Frame)标志数据帧和远程帧的起始，它仅由一个“显性”位构成。,数据帧(Data Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,仲裁场 由标识符和远程发送请求（RTR）位组成。,数据帧(Data Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,标识符(Identifier)的长度为11位。这些位以ID-10至ID-0的顺序发送，最低位为ID-0，其中最高7位（ID-10 ID-4）必须不是全“隐性”。RTR位（Remote Transmission Request Bit）在数据帧中，必须是“显性”的，而在远程帧中，RTR位必须是“隐性”的。,数据帧(Data Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,控制场 由6位组成，包括两个用于将来扩展的保留位和4位数据长度码。,数据帧(Data Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,表 数据长度码中数据字节数目编码,4 报文传送及其帧类型,哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,数据场 由数据帧中被发送的数据组成，它可包括0至8个字节，每个字节包括8位，其中首先发送最高有效位。,数据帧(Data Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,CRC场 包括CRC序列、CRC界定符。,数据帧(Data Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,CRC场 参加CRC校验的位场包括帧起始、仲裁场、控制场、数据场（假若存在）在内的无填充位流。CRC序列后随CRC界定符，它只包括一个“隐性”位。,数据帧(Data Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,应答场 为两位长度，包括应答间隙和应答界定符。,数据帧(Data Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,应答场在应答场中发送站送出两个“隐性”位。一个正确地接收到有效报文的接收器，在应答间隙期间，通过传送一个“显性”位将此信息报告给发送器（接收器发送“应答”）。所有接收到匹配CRC序列的站，在应答间隙期间通过把“显性”位写入发送器的“隐性”位来报告此信息。应答界定符是应答场的第二位，并且必须是“隐性”位。因此，应答间隙被两个“隐性”位（CRC界定符和应答界定符）包围。,数据帧(Data Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,帧结束 每个数据帧和远程帧均是由7个“隐性”位组成的标志序列界定的。,数据帧(Data Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,远程帧由6个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。,远程帧(Remote Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,区分4种不同类型的帧：a.标准格式数据帧；b.标准格式远程帧；c.扩展格式数据帧；d.扩展格式远程帧。对于a，11位标识符后是2个显性位：仲裁场的RTR位和控制场的r1位；对于b，11位标识符后是一个隐性位和一个显性位：仲裁场的RTR位和控制场的r1位。据此可将a与b分开。对于c、d，11位标识符后为两个隐性位：仲裁场的SRR位和IDE位。据此可将c、d与a、b分开。而c、d之间可由扩展ID后的RTR位分开：c中RTR位为显性位，d中RTR位为隐性位。,哈工大网络与电气智能化研究所,错误帧由两个不同场组成：来自各站的错误标志(Error Flage)；错误界定符(Error Delimiter)。,4 报文传送及其帧类型,错误帧(Error Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,错误标志具有两种形式：激活错误标志(Active Error Flag)：由6个连续的“显性”位组成；认可错误标志（Passive Error Flag）：由6个连续的“隐性”位组成，除非它被来自其它节点的“显性”位改写。,错误帧(Error Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,一个检测到错误状态的“错误激活”站通过发送一个激活错误标志来标注该错误。这一错误标志形式违背适用于由帧起始至CRC界定符的所有场的位填充规则，或者破坏了应答场或帧结束场的固定形式。因而，所有其它站将检测到错误状态，并且由它们的部件开始发送错误标志。,错误帧(Error Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,这样，在总线上实际被监视到的“显性”位序列是由各个单独站发送的不同错误标志叠加而形成的。该序列的总长度在最小值6位和最大值12位之间变化。一个检测到错误状态的“错误认可”站通过发送一个认可错误标志来试图标注该错误。该“错误认可”站以认可错误标志的开始为起点等待个相同极性的连续位。当检测到个相同位后，认可错误标志即告完成。,错误帧(Error Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,错误界定符包括个“隐性”位。错误标志发送后，每个站都送出“隐性”位并监视总线，直至检测到一个“隐性”位。此后，开始发送剩余的个“隐性”位。,错误帧(Error Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。存在两种导致发送超载标志的超载条件：一个是接收器的内部条件，接收器要求下一个数据帧或远程帧的延迟；另一个是在间歇场（帧间空间）检测到“显性”位。,超载帧(Overload Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,由前一个超载条件引起的超载帧起点，仅允许在期望间歇场（帧间空间）的第一位时间开始，而由后一个超载条件引起的超载帧在检测到“显性”位后开始发送第一位。最多可产生个超载帧用于延迟下一个数据帧或远程帧。,超载帧(Overload Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,超载标志(Overload Flage)由个“显性”位组成。全部形式对应于激活错误标志形式。超载标志形式破坏了间歇场的固定形式。因而，所有其它站都将检测到一个超载条件，并且由它们的部件开始发送超载标志。,超载帧(Overload Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,超载界定符(Overload Delimiter)由个“隐性”位组成。超载界定符与错误界定符具有相同的形式。发送超载标志后，站监视总线直至检测到由“显性”到“隐性”位的发送。在此时刻，总线上的每个站均完成送出其超载标志，并且所有站一致地开始发送剩余的个“隐性”位。,超载帧(Overload Frame),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,数据帧和远程帧与其前面的帧（数据帧、远程帧、错误帧或超载帧）均以称为帧间空间的位场分隔开。在超载帧和错误帧前面没有帧间空间，并且多个超载帧也不被帧间空间分隔。,帧间空间(Interframe Space),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,帧间空间包括间歇场和总线空闲场，对于已经发送先前报文的“错误认可”站还有暂停发送场(Suspend Transmission)。,帧间空间(Interframe Space),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,间歇场(Intermission Field)由3个“隐性”位组成。间歇场期间，不允许任何站启动发送数据帧或远程帧。唯一的作用是标注超载条件。,帧间空间(Interframe Space),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,总线空闲场(Bus Idle Field)持续时间可为任意长度。此时，总线是开放的，因而任何需要发送的站均可访问总线。在其它报文发送期间，待发送的报文，在间歇场后的第一位开始发送。检测到总线上的一个“显性”位将被理解为帧起始。,帧间空间(Interframe Space),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,暂停发送场(Suspend Transmission Field)：“错误认可”站发完一个报文后，在开始下一次报文发送或认可总线空闲之前，它紧随间歇场后送出8个“隐性”位。如果在此期间其它站开始一次发送，该站将变为报文接收器。,帧间空间(Interframe Space),哈工大网络与电气智能化研究所,4 报文传送及其帧类型,帧间空间(Interframe Space),哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,错误类型：位错误填充错误CRC错误形式错误应答错误,哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,位错误(Bit Error)向总线送出一位的某个单元同时也在监视总线。当监视到的总线位数值与送出的位数值不同时，则在该位时刻检出一个位错误。例外：仲裁场的填充位流期间、应答期间、认可错误标志。,哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,填充错误(Stuff Error)在应使用位填充方法进行编码的报文中，出现了第6个连续相同的位电平时，将检出一个填充错误。,哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,CRC错误(CRC Error)CRC序列是由发送器完成的CRC计算结果组成的。接收器以与发送器相同的方法计算CRC。如果计算结果与接收到的CRC序列不相同，则检出一个CRC错误。,哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,形式错误(Form Error)当固定形式的位场中出现一个或更多非法位时，则检出一个形式错误。,哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,应答错误(Acknowledgement Error)在应答间隙期间，发送器未检测到“显性”位，则由它检出一个应答错误。,哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,位错误、填充错误、形式错误或应答错误由检测出的站在下一位开始时发送错误标志。CRC错误由检测出的站在应答界定符后面那一位开始发送，除非用于其它错误状态的错误标志已经开始发送。,哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,在CAN总线中，就故障界定而言，一个单元（节点）可能处于三种状态：“错误激活”(“Error Active”)“错误认可”(“Error Passive”)“总线脱离”(“Bus off”),哈工大网络与电气智能化研究所,哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,总线单元中的两种计数：发送错误计数接收错误计数,哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,计数规则：接收器检出错误时，接收错误计数加1。接收器在送出错误标志后的第一位检出一个“显性”位时，接收错误计数加8。,哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,计数规则：发送器送出一个错误标志时，发送错误计数加8。有两种例外情况，发送错误计数不改变。一个是如果发送器为“错误认可”，因未检测到“显性”应答而检测到一个应答错误，并且在送出其认可错误标志时，未检测到“显性”位。另一个是如果由于仲裁期间（其填充位处于RTR位前）发生的填充错误，发送器送出一个错误标志，本应是“隐性”的，而且确实发送的是“隐性”的，但监视到的为“显性”的。,哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,计数规则：如果发送器送出一个激活错误标志或超载标志时，发送器检测到位错误，则发送错误计数加8。如果接收器送出一个激活错误标志或超载标志时，接收器检测到位错误，则接收错误计数加8。,哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,计数规则：在送出激活错误标志、认可错误标志或超载标志后，任何节点都容许多至7个连续的“显性”位。在检测到第14个连续的“显性”位后，或紧随认可错误标志检测到第8个连续的“显性”位后，以及附加的8个连续的“显性”位的每个序列后，每个发送器的发送错误计数都加8，并且每个接收器的接收错误计数也都加8。,哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,计数规则：报文成功发送后，则发送错误计数减1，除非它已经为0。报文成功接收后，则接收错误计数减1，如果它处于1和127之间。若接收错误计数为0，则仍保留0，而若它大于127，它将其置为119和127之间的某个数值。,哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,计数规则：发送错误计数等于或大于128或接收错误计数等于或大于128时，节点为“错误认可”。导致节点变为“错误认可”的错误状态使节点送出一个激活错误标志。发送错误计数大于或等于256时，节点为“总线脱离”。,哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,计数规则：发送错误计数和接收错误计数两者均小于或等于127时，“错误认可”节点再次变为“错误激活”节点。在检测到总线上11个连续的“隐性”位发生128次后，“总线脱离”节点将变为其两个错误计数器均置为0的“错误激活”节点（不再是“总线脱离”）。,哈工大网络与电气智能化研究所,5 错误类型和界定,当错误计数值大于96时，说明总线被严重干扰。它提供测试此状态的一种手段。若系统启动期间，仅有一个节点在线，此节点发送报文后，将得不到应答，检出错误并重复该报文。它可以变为“错误认可”，但不会因此“总线脱离”。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3 CAN总线基本技术阐释与分析,3.3.1 总线典型电平3.3.2 LLC子层和MAC子层3.3.3 MAC 机制3.3.4 位定时的作用及硬同步与重同步3.3.5 数据帧与 CAN中断速率3.3.6 标准格式及扩展格式的数据帧、远程帧的区分3.3.7 总线长度与位速率,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.1 总线典型电平,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.1 总线典型电平,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.1 总线典型电平,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.1 总线典型电平,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.2 LLC子层和MAC子层,LLC子层的主要功能：接收过滤是指LLC子层通过对报文整个标识符或部分标识符的屏蔽/筛选来决定是否接收报文；超载通知是指在发生超载条件时，LLC子层发送超载帧以示通告，从而延迟下一个数据帧或远程帧；恢复管理是指在发送期间，对于丢失仲裁的或已损的报文，LLC子层具有自动重发的功能。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.2 LLC子层和MAC子层,根据ISO11898，存在两种类型的来自/传给用户的帧：LLC数据帧和LLC远程帧。对于这两种类型的帧，LLC子层均向用户通告帧是否成功发送或接收。LLC子层传给/接收来自MAC子层的帧为：数据帧、远程帧和超载帧。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.2 LLC子层和MAC子层,LLC数据帧和远程帧的结构分别如图319和图320所示。应该指出，用户传给LLC子层的标准格式的数据帧包括4部分：标识符、RTR位（为“0”）、DLC和数据场，前3部分的位数分别为11、1和4，即前3部分共有16位，刚好为2个字节（占用2个地址单元，若每个地址单元为1个字节）。许多CAN控制器（如SJA1000、P8xC591中的CAN控制器）就要求将标识符、RTR位和DLC写入2个地址单元或从2个地址单元中读出。用户传给LLC子层的标准格式的远程帧包括3部分：标识符、RTR位（为“1”）和DLC。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.2 LLC子层和MAC子层,MAC子层提供的主要功能是传送协议，即发送/接收数据的封装（成帧）/拆装，帧编码及位填充（若需要）/去除填充位（若有），媒体访问管理（执行仲裁），错误检测和标注，应答，（发送）串行化/（接收）解除串行化。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.2 LLC子层和MAC子层,ISO11898中介绍，MAC子层（为LLC子层）提供的服务为：应答数据传送，即为LLC子层发送/接收数据帧；应答远程数据传送，即为LLC子层发送/接收远程帧；超载帧传送，即为LLC子层发送/接收超载帧。MAC子层构造MAC数据帧、MAC远程帧和MAC超载帧并将其发送到物理层；当然，MAC子层亦从物理层接收MAC数据帧、MAC远程帧和MAC超载帧。MAC子层还构造并发送错误帧（当检测到总线错误时）。CAN技术规范中给出的4种帧（数据帧、远程帧、错误帧和超载帧）的组成均指的是MAC帧。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.3 MAC 机制,CAN网络上一个节点发送的帧/报文可被网络上所有其它节点监听并应答。当总线处于空闲（开放）时，任何节点均可开始发送报文。若一个节点正在发送，其它节点只有在此发送完成以后，才可尝试发送。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.3 MAC 机制,如果两个或多个节点同时开始发送，则通过使用仲裁场（11位标识符和RTR位（对于标准格式）的非破坏性逐位仲裁机制来解决总线访问冲突。在仲裁场发送期间，每一个发送器均监听总线电平，并将它与自身发送的位相比较。若两值相等，则节点可继续发送。若一个节点发送一个隐性位（“1”），而在总线上监听到一个显性位（“0”），则此节点即失去仲裁，并必须停止发送。在当前发送结束后，失去仲裁的节点可尝试再次发送。由于标识符是由最高位至最低位被发送的，因此发送数值最小的标识符的节点会赢得仲裁。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.3 MAC 机制,哈工大网络与电气智能化研究所,哈工大网络与电气智能化研究所,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.4 位定时的作用及硬同步与重同步,位定时的作用：（1）确定位时间，以便确定波特率，从而确定总线的网络速度；或在给定总线的网络速度的情况下确定位时间。（2）确定1位的各个组成部分同步段、传播段、相位缓冲段1和相位缓冲段2的时间长度，其中同步段用于硬同步，位于相位缓冲段1终点的采样点用于保证正确地读取总线电平。（3）确定重同步跳转宽度以用于重同步。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.4 位定时的作用及硬同步与重同步,一个节点应既能在位时间的采样点正确地读取总线电平，也能检测来自总线的沿以进行硬同步或重同步。在CAN技术规范的时间份额的表达式中，对于常用的独立CAN控制器SJA1000和P8xC591中的CAN控制器，时间份额tq为系统时钟周期tscl；预引比例因子m为可编程的，其值取决于总线定时寄存器0（BTR0）的内容；最小时间份额为振荡器周期tCLK的2倍，即2tCLK。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.4 位定时的作用及硬同步与重同步,CAN 总线中，同步包括硬同步和重同步两种形式。同步与位定时密切相关。同步也是由节点自身完成的。节点将检测到的来自总线的沿与其自身的位定时相比较，并通过硬同步或重同步适配（调整）位定时。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.4 位定时的作用及硬同步与重同步,硬同步 所谓硬同步，就是由节点检测到的来自总线的沿强迫节点立即确定出其内部位时间的起始位置（同步段的起始时刻）。硬同步的结果是，沿的到来时刻的前一时刻（以时间份额tq量度）即成为节点内部位时间同步段的起始时刻，并使内部位时间从同步段重新开始。这就是规范中所说的“硬同步强迫引起硬同步的沿处于重新开始的位时间同步段之内”。硬同步一般用于报文开始，即总线上的各个节点的内部位时间的起始位置（同步段）是由来自总线的一个报文帧的帧起始的前沿决定的。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.4 位定时的作用及硬同步与重同步,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.4 位定时的作用及硬同步与重同步,重同步 所谓重同步，就是节点根据沿相位误差的大小调整其内部位时间。重同步的结果是，节点内部位时间与来自总线的报文位流的位时间接近或相等，从而使节点能够正确地接收报文。重同步一般用于报文位流发送期间，以补偿各个节点振荡器频率的不一致。沿相位误差由来自总线的沿相对于节点内部位时间同步段的位置给定，以时间份额量度。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.4 位定时的作用及硬同步与重同步,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.5 数据帧与 CAN中断速率,标准格式数据帧的最小位数为44，最大位数为108。一般地，将帧起始、仲裁场和控制场作为CAN头部（19位），CRC场、应答场和帧结束作为CAN尾部（25位）。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.5 数据帧与 CAN中断速率,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.5 数据帧与 CAN中断速率,在设计CAN节点/系统时，设计者应考虑由总线上的数据帧引起的对节点的中断的速率。由于CAN数据帧较小（0-8字节），当因多个节点欲同时发送报文而使总线上出现连续的数据帧时，对用软件屏蔽或完全不屏蔽的接收器的中断发生率就会很高。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.5 数据帧与 CAN中断速率,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.5 数据帧与 CAN中断速率,CAN中断速率不是低速的。在500kbps、1Mbps下，对于0字节数据帧，中断每94s、47s产生一次。基于多数低端微控制器/微处理器的CAN节点不能跟上此中断速率。因此，应根据CAN中断速率、节点功能和系统要求来为节点选择合适的微控制器/微处理器。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.6 标准格式及扩展格式的数据帧、远程帧的区分,4种不同类型的帧：1、标准格式数据帧；2、标准格式远程帧；3、扩展格式数据帧；4、扩展格式远程帧。对于1，11位标识符后是2个显性位：仲裁场的RTR位和控制场的r1位；对于2，11位标识符后是一个隐性位和一个显性位：仲裁场的RTR位和控制场的r1位。据此可将1与2分开。对于3、4，11位标识符后为两个隐性位：仲裁场的IDE位和SRR位。据此可将3、4与1、2分开。而3、4之间可由扩展ID后的RTR位分开：3中RTR位为显性位，4中RTR位为隐性位。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.3.7 总线长度与位速率,哈工大网络与电气智能化研究所,3.4 独立CAN控制器SJA1000,3.4.1 特性3.4.2 一般说明3.4.3 方框图3.4.4 引脚排列3.4.5 功能说明,3.4.6 极限值3.4.7 热特性3.4.8 直流特性3.4.9 交流特性,哈工大网络与电气智能化研究所,3.4.1 特性,与PCA82C200独立CAN控制器引脚兼容；与PCA82C200独立CAN控制器电气兼容；PCA82C200模式（BasicCAN模式是默认的）；扩展的接收缓冲器（64字节FIFO）；与CAN 2.0B协议兼容(在PCA82C200兼容模式中扩展帧认可)；既支持29位标识符，也支持11位标识符；,哈工大网络与电气智能化研究所,3.4.1 特性,位速率可达1Mbps；PeliCAN模式扩展：24MHz时钟频率；与各种微控制器的接口；可编程的CAN输出驱动器配置；扩展的环境温度范围（-40 125）。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.4.2 一般说明,SJA1000CAN独立控制器是PHILIPS半导体PCA82C200 CAN控制器（BasicCAN）的替代产品。另外，增加了一种新的工作模式（PeliCAN），这种模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B协议规范。两种封装形式：一种为28引脚的塑质双列式封装（DIP28）；另一种为28引脚的塑质小型线外封装（SO28）。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.4.3 方框图,哈工大网络与电气智能化研究所,3.4.4 引脚排列,哈工大网络与电气智能化研究所,3.4.5 功能说明,3.4.5.1 CAN控制器模块的说明3.4.5.2 CAN控制器的详细说明3.4.5.3 BasicCAN模式3.4.5.4 PeliCAN模式3.4.5.5 公共寄存器,哈工大网络与电气智能化研究所,3.4.5.1 CAN控制器模块的说明,1.接口管理逻辑（IML）接口管理逻辑解释来自CPU的命令，控制CAN 寄存器的寻址，向主控制器提供中断信息和状态信息。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.4.5.1 CAN控制器模块的说明,2.发送缓冲器（TXB）发送缓冲器是CPU和位流处理器（BSP）之间的一个接口，能够存贮向CAN网络上发送的一个完整报文。缓冲器有13个字节长，由CPU写入、BSP读出。,哈工大网络与电气智能化研究所,3.4.5.1 CAN控制器模块的说明,3.接收缓冲器（RXB，RXFIFO）接收缓冲器是接受过滤器和CPU之间的一个接口，用来存贮从CAN总线上被接收并接受的报文。接收缓冲器（RXB）作为总长为64字节的接收FIFO(RXFIFO)