现场总线fieldbuschap3-4

2019/12/211现场总线技术及其应用第3讲徐若锋2019/12/2123.4CAN总线3.4.1CAN总线概述3.4.2CAN通讯协议3.4.3CAN器件介绍3.4.4CAN总线应用12/21/201934.1.2CAN的发展背景及其应用情况CAN的起源•现代社会对汽车的要求不断提高，这些要求包括：极高的主动安全性和被动安全性；乘坐的舒适性；驾驶与使用的便捷和人性化；尤其是低排放和低油耗的要求等。•在汽车设计中运用微处理器及其电控技术是满足这些要求的最好方法，而且已经得到了广泛的运用。目前这些系统有：ABS（防抱系统）、EBD（制动力分配系统）、EMS（发动机管理系统）、多功能数字化仪表、主动悬架、导航系统、电子防盗系统、自动空调和自动CD机等。12/21/20194•这些系统由多个电控单元相互连接而成，可分为控制器、传感器、执行器等。同时各个系统之间也互相连接，进行着越来越多的数据交换。这样就需要使用大量的线束和插接器来实现互连，进行它们之间的数据交换。随着汽车电子技术的不断发展，这种需求的增长是惊人的（如图）。CAN的起源12/21/20195•由于线束和插接器的数量不断增加，整车电子系统的复杂程度愈来愈高，其可靠性将难以保证，故障率会提高，维修会更加困难。•为了满足汽车内部信息交换量急剧增加的要求，有必要使用一种实现多路传输方式的车载网络系统。这种网络系统采用串行总线结构，通过总线信道共享，减少线束的数量。•车载网络除了要求采用总线拓扑结构方式外，必须具有极好的抗干扰能力；极强的差错检测和处理能力；满足信息传输实时性要求；同时具备故障的诊断和处理能力等。另外考虑到成本因素，要求其控制接口结构简单，易于配置。CAN的起源12/21/20196CAN的发展概况•20世纪80年代，Bosch的工程人员开始研究用于汽车的串行总线系统，因为当时还没有一个网络协议能完全满足汽车工程的要求。参加研究的还有Mercedes-Benz公司、Intel公司，还有德国两所大学的教授。•1986年，Bosch在SAE（汽车工程人员协会）大会上提出了CAN•1987年，INTEL就推出了第一片CAN控制芯片—82526；随后Philips半导体推出了82C200。•1993年，CAN的国际标准ISO11898公布•从此CAN协议被广泛的用于各类自动化控制领域。12/21/20197CAN的发展概况•1992年，CIA（CANinAutomation）用户组织成立，之后制定了第一个CAN应用层“CAL”。•1994年开始有了国际CAN学术年会（ICC）。•1994年美国汽车工程师协会以CAN为基础制定了SAEJ1939标准，用于卡车和巴士控制和通信网络。•到今天，几乎每一辆欧洲生产的轿车上都有CAN；高级客车上有两套CAN，通过网关互联；1999年一年就有近6千万个CAN控制器投入使用；2000年销售1亿多CAN的芯片；2001年用在汽车上的CAN节点数目超过1亿个。•但是轿车上基于CAN的控制网络至今仍是各大公司自成系统，没有一个统一标准。12/21/20198•基于CAN的应用层协议应用较通用的有两种：DeviceNet（适合于工厂底层自动化）和CANopen（适合于机械控制的嵌入式应用）。•任何组织或个人都可以从DeviceNet供货商协会（ODVA）获得DeviceNet规范。购买者将得到无限制的、真正免费的开发DeviceNet产品的授权。•DviceNet自2002年被确立为中国国家标准以来，已在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山等各个行业得到成功应用，其低成本和高可靠性已经得到广泛认同。2019/12/2193.4.1CAN总线概述CAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域网，是目前国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，它在汽车领域上的应用最为广泛，BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、volkswagen(大众)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。由于CAN总线的特点，其应用范围已不仅局限于汽车行业，已经在自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域中得到了广泛应用。2019/12/21103.4.1CAN总线概述CAN是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。CAN协议遵循ISO/OSI模型，采用了其中的物理层、数据链路层与应用层。CAN可以多主方式工作，本质上也是一种CSMA/CD方式，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其它节点发送信息，而不分主从，节点之间有优先级之分，因而通信方式灵活；CAN采用非破坏性逐位仲裁技术，优先级发送，可以大大节省总线冲突仲裁时间，在重负荷下表现出良好的性能；CAN可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播等几种方式传送和接收数据。CAN的直接通信距离最远可达10km（传输速率为5Kbit/s）；最高通信速率可达1Mbit/s（传输距离为40m）。2019/12/21113.4.1CAN总线概述CAN上的节点数实际可达110个。CAN数据链路层采用短帧结构，每一帧为8个字节，易于纠错；CAN每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，有效地降低了数据的错误率；CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭的功能，使总线上其它节点不受影响。信号调制解调方式采用不归零（NRZ）编码/解码方式，并且采用插入填充位（位填充）技术。数据位具有支配“0”（Dominantbit）和退让“1”（Recessivebit）两种逻辑值，采用时钟同步技术，具有硬件自同步和定时时间自动跟踪功能。2019/12/2112图3-43总线位的数值表示3.4.1CAN总线概述显性（Dominant）值表示0隐性值表示1.显性和隐性同时发送时，最后总线数值将为0.在总线空闲或隐性位期间，发送隐性状态。2019/12/2113图3-44总线有效长度和传输速率的关系3.4.1CAN总线概述2019/12/2114CAN总线作为一种国际标准，也遵从网络标准模型。CAN只采用OIS参考模型全部七层中的两层，即物理层和数据链路层。3.4.2CAN通讯协议一个典型的工程实例目前的汽车电子信息产品已经平均占到汽车总成本的1/3，并且这个比率正在不断被提高，有专家认为，未来10年内，这个比率将达到40％。中高级轿车、客车甚至大型卡车上普遍采用了CAN总线，不仅提高了性能，节省大量电缆，而且给人们带来了更好的享受，提高了驾驭者的舒适程度。一汽-大众汽车有限公司2001年12月上市的宝来（Bora）轿车，在动力传动系统和舒适系统中就装用了两套CAN数据传输系统。接发电机底盘网络仪表单元MMMMMMMMMMMM前门单元车身中央控制单元空调单元前座单元顶窗单元前座单元左前门单元MMM后门单元后门单元后座单元MM后窗单元MMMCANMLIN电机加热器灯具控制面板图例：CAN数据传输舒适系统CAN总线12/21/201917CAN总线连接了传动装置控制中央单元、灯控单元、门控单元、座椅控制单元、空调单元以及仪表盘控制单元等等。由LIN总线构成的LIN网络作为CAN网络的辅助网络，连接了车窗控制单元、雨刷控制单元、天窗控制单元等低速设备LIN网络（LocalInterconnectNetwork），由汽车厂商为汽车开发，作为CAN网络的辅助网络，目标应用在低端系统，不需要CAN的性能、带宽以及复杂性。LIN的工作方式是一主多从，单线双向低速传送数据（最高20K位/秒），与CAN相比具有更低的成本，且基于UART接口，无需硬件协议控制器，使系统成本更低。CAN数据传输舒适系统网络与动力传动系统网络通过网桥相互通信。2019/12/2118OSI基准层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层CAN采用的两层7654321逻辑链路控制LLC媒体访问控制MAC物理层信号PLS物理媒体连接PMA介质从属接口MDICAN协议的核心3.4.2CAN通讯协议12/21/201919位编码/解码位定时同步驱动器接收器特性逻辑链路子层LLC接收滤波超载通知恢复管理介质访问控制子层MAC数据包装/解包帧编码介质访问管理错误监测出错标定应答串并转换数据链路层物理层故障界定总线故障管理监控器图4.5CAN协议分层结构和功能CAN规范中的对应ISO/OSI参考模型的网络层12/21/201920在以前版本的CAN规范中，数据链路层的LLC子层和MAC子层的服务及功能分别被解释为“对象层”和“传输层”。逻辑链路控制子层(LLC)的作用范围如下：•为远程数据请求以及数据传输提供服务。•确定由实际要使用的LLC子层接收哪一个报文。•为恢复管理和过载通知提供手段。MAC子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。位定时的一些普通功能也可以看作是MAC子层的一部分。物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。2019/12/2121物理层物理层定义信号是如何实际地传输的。完成电气连接、实现驱动器/接收器特性、定时、同步、位编码解码。将连接于总线的各个节点称为电子控制装置（ECU）。所以物理层涉及到的是将ECU连接至总线的电路实现。ECU总数受总线上电气负载的限制2019/12/2122物理媒体连接（PMA）子层PhysicalMediumAttachmentSublayer功能：实现总线发送/接收的功能电路，并可提供总线故障检测方法CAN技术规范2.0B中没有定义该层的驱动器/控制器特性，以便在具体应用中进行优化设计。由物理媒体连接（PMA）和媒体从属接口（PhysicalDependentInterface-MDI）构成媒体访问单元（MAU）2019/12/2123物理层信号（PLS）PhysicalLayerSignalSublayer物理层信号实现与位表示、位定时和同步相关的功能2019/12/2124PLS－位定时标称位速率（NominalBitRate）：理想发送器在没有重同步的情况下，发送的位数/秒标称位时间（NominalBitTime）：1/标称位速率位时间指一位的持续时间正常位时间可划分为分开的、不重叠的时间段，如图同步段传播段相位缓冲段1相位缓冲段2标称位时间采样点同步段传播段相位缓冲段1相位缓冲段22019/12/2125PLS－位编码/解码CAN的数据帧的5个部分（帧起始、仲裁域、控制域、数据域和CRC序列）均通过位填充的方法编码。即发送器检测位流里有5个连续相同值的位，便自动在位流里插入一补充位。数据帧或远程帧的其余位域没有位填充。错误帧和远程帧的格式也是固定的，不用为填充方法编码在整个位时间里，位的电平非显性即隐性。2019/12/2126PLS－同步同步包括硬同步和重同步两种形式。一个硬同步后，位时间由每个位定时逻辑单元以同步段重新启动。因此，硬同步强迫引起硬同步的跳变沿处于重新开始的位时间同步段内。重同步的结果使相位缓冲段1延长或相位缓冲段2缩短。延长或缩短相位缓冲段的总和存在一个上限，此上限由重同步跳转宽度给定。重同步跳转宽度应通过编程设置在1和4之间。2019/12/2127媒体访问控制（MAC）子层1/4MediumAccessControlSublayer该层是CAN的协议的核心。作用：把接收到的报文提供给LLC子层，并接收来自LLC子层的报文。功能：负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定2019/12/2128媒体访问控制（MAC）子层2/4CAN两种帧格式标准帧（11位标识符）扩展帧（29位标识符）数据帧远程帧出错帧超载帧另外，数据帧和远程帧用帧间空间同先前帧隔开•数据在节点间发送和接收有4种帧CAN的报文及结构在总线上的任意节点均可以作为发送器或接收器，那么我们就将