《清华大学CAN总线》PPT课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,工业数据通信与控制网络,第4讲,CAN通信技术,阳宪惠,清华大学自动化系,CAN简介,CANController,Area,Network是控制器局域网,的简称,它是德国Bosch公司在1986年为解决现代汽车中,众多测量控制部件之间的数据交换而开发的一种,串行数据通信总线,现已被列入ISO国际标准ISO11898,最初为汽车测控数据通信而设计的CAN,，现已在,多领域被广泛采用,航天、电力、石化、冶金、纺织、造纸、仓储等行业,火车、轮船、机器人、楼宇自控、医疗器械、数控机,床、智能传感器、过程自动化仪表等,CAN的主要技术特点,CAN网络上的节点不分主从,任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送,信息，通信方式灵活,CAN采用非破坏性的总线仲裁技术,-,载波监听多路访问、逐位仲裁,-,先听再讲,-,当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点,会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续,传输数据，从而节省了总线冲突的仲裁时间。,CAN网络上的节点具有不同的优先级,可满足对实时性的不同要求,高优先级的数据可在134微秒内得到传输,通过报文滤波可实现点对点、一点对多点及全局,广播等几种方式收发数据，无需专门的,“,调度,”,CAN的直接通信距离,最远可达10km（速率5kbps以下）；,通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m）。,CAN总线上的节点数决定于总线驱动电路，一般为,可达110个；,报文标识符：,CAN2.0A为2032种,CAN2.0B扩展帧的报文标识符几乎不受限制,CAN为短帧结构，传输时间短，受干扰概率低,CAN节点具有良好的检错功能，出错率低,节点中均有错误检测、标定和自检能力。,具有发送自检、循环冗余校验、位填充、报文格式检查等。,CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功,能，以使总线上其他节点的操作不受影响。,CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择,灵活。,CAN器件可被置于无任何内部活动的睡眠方式,相当于未连接到总线驱动器,可降低系统功耗,其睡眠状态可借助总线激活或者系统的内部条件被唤醒。,CAN通信技术,CAN的通信参考模型,CAN的通信模型的分层结构,数据链路层,包括逻辑链路控制子层LLC,LLC的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服,务，确认由LLC子层接收的报文实际已被接收，并为恢复,管理和通知超载提供信息,媒体访问控制子层MAC,MAC子层主要规定传输规则，即控制帧结构、执行仲裁、,错误检测、出错标定和故障界定,物理层,物理层规定了节点的全部电气特性,数据链路层,物理层,逻辑链路子层,接收滤波,超载通知,恢复管理,媒体访问控制子层,数据封装/拆装,帧编码（填充/解除填充）,媒体访问管理,错误监测,出错标定,应答,串行化/解除串行化,位编码/解码；位定时；同步；,驱动器/接收器特性,CAN总线信号的显位与隐位,显位(0),V,CANH：,3.5v,V,CANL,1,1.5v,隐位(1),V,CANH,2.5v,V,CANL,2.5v,显位可改,写隐位,CAN节点的网络连接,CAN技术规范,CAN2.0A与CAN2.0B是1991年颁布的CAN技术规,范的两个部分,CAN2.0A只有标准帧一种帧格式,CAN2.0B包括标准帧与扩展帧两种,标准帧与扩展帧的区别主要在仲裁场与控制,场,标准帧具有11位标识符,扩展帧具有29位标识符,CAN报文帧的类型,4种不同类型的帧：,数据帧、远程帧、出错帧、超载帧,数据帧携带数据，由发送器传送至接收器,远程帧用以请求总线上的相关节点发送具,有规定标识符的数据帧,出错帧由检测出总线错误的节点发送，向,总线通知出现了错误,超载帧由出现超载的节点发出，用于提供,当前的和后续的数据帧的附加延迟,CAN的帧结构,数据帧由7个不同的位场（域）组成,：,帧起始,、,仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答,场、帧结束,帧起始位（1个显位），表示标志帧的开始，用于,节点同步，总线空闲才允许节点发送,中间有仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场,帧结束（7个隐位）,数据场长度可为零,CAN数据帧的组成,仲裁场,标准帧的仲裁场由11位标识符和远程发送请,求位,RTR,(Remote,Transmission,Request),组成,仲裁场的11位标识符从高位到低位顺序发送，最,低位为ID.0，最高位为ID.10，其中的高7位,（ID.10ID.3）不能全为隐位。,远程发送请求位（RTR）用于区分数据帧与远程帧,在数据帧中RTR位必须是显位,在远程帧中RTR位必须为隐位。,仲裁场,扩展帧仲裁场的组成,29位标识符位：ID.28至ID.0,远程请求替代位SRR,(Substitute,Remote,Request),：,设置SRR为保持扩展帧与标准帧的格式兼容,扩展帧中的,SRR为隐位,标识扩展位IDE,(Identifier,Extension)：,标识扩展位IDE在标准帧中为显位,在扩展帧中为隐位,远程发送请求位RTR组成,控制场,控制场由6位组成,在扩展格式中控制场包括4位数据长度码DLC和2,位保留位，,在标准格式中控制场包括4位数据长度码DLC、1,位保留位、1位标识扩展位IDE,数据场,CRC场,数据场包含被传送的数据，可包括0-8个8位,的字节，先发送最高有效位。,CRC场：15位的CRC序列，1个隐位的CRC界定,符,应答场,帧结束,应答场2位：1位应答间隙，1位应答界定符,发送器在应答间隙发送1位隐位，接收器在正确,接收到报文后在应答间隙发送1位显位。,应答界定符为隐位,帧结束,每帧均以7个连续隐位作为结束标志,远程帧,远程帧由6个场组成：帧起始、仲裁场、控制,场、CRC场、应答场和帧结束。远程帧不存在,数据场。,远程帧的RTR位必须是隐位。,出错帧,出错帧由两个不同场组成，第一个场由来自各节点,的出错标志叠加得到，第二个场是出错界定符,错误标志具有两种形式：,活动出错标志(Active,error,flag)，由6个连续的显位组,成,认可出错标志(Passive,error,flag)，由6个连续的隐位,组成,出错界定符包括8个隐位,超载帧,超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符,超载标志由6个显位组成,超载界定符由8个隐位组成,发送超载帧的超载条件：,接收器要求延迟下一个数据帧或远程帧,在间歇场检测到显位,实现CAN通信控制的几种ASIC芯片,CAN通信控制器82C200:实现CAN2.0A的标准格式通信帧的通信,控制,CAN通信控制器SJA1000:实现CAN2.0B的两种格式通信帧的通信,控制,带CAN通信控制器与8位微控制器的P8XC592,带CAN通信控制器与16位微控制器的87C196CA/CB,带32位ARM7,处理器内核、可编程逻辑、存储子系统、CAN接口、,以太网接口、I/O接口等的片上系统TA7V,带CAN通信控制器的CAN总线I/O器件82C150,CAN总线收发接口器件82C250,CAN通信控制器,CAN通信控制器要实现CAN总线协议并具备与微控制,器的接口,不同型号的CAN总线通信控制器，其结构和功能大体相,同；,与微控制器接口部分的结构及方式存在一些差异,由CAN通信控制器芯片完成CAN总线协议中物理层和,数据链路层的所有功能,应用层功能由微控制器完成,芯片工作的温度范围为,：,40125，汽车及某些军用领域，,4080，一般工业领域,CAN通信控制器82C200的功能框图,82C200实现CAN2.0A协议,CAN通信控制器SJA1000,SJA1000,实现CAN2.0B协议,特点：,-,引脚、电气特性、软件与PCA,82C200兼容,-,64字节FIFO扩展接收缓冲器,-,通信速率1Mb/s,-,24MHz时钟,-,多种微处理器接口,-,具有只听模式,-,支持热插拔,自身报文接收,-,工作温度-40,到+125,CAN通信控制器SJA1000,SJA1000CAN通信控制器由以下几部分构成:,接口管理逻辑IML:它接收微处理器的命令,控制,寄存器的地址,并为微处理器提供中断和状态信息。,发送缓冲器TXB:,它是和位流处理器（）,之间的接口,有字节长。能存储一条将在总,线上发送的完整报文。报文由写入,由位流处理,器读出。,接收缓冲器（,）:,是和接,收滤波器之间的接口,用来存储从总线收到并接,收的报文。接收缓冲器FIFO共字节长。其中有,字节的窗口可供访问。在处理一个报文的,同时，由这个继续接收其它正在到来的报文,CAN通信控制器SJA1000(续）,接收滤波器ACF:,接收滤波器把收到的报文标识符和接收滤,波寄存器中的内容进行比较,以判断该报文是否被接收。如,果判断结果是肯定的,则报文被存入。,位流处理器BSP:,位流处理器控制发送缓冲器和,总线之间数据序列,同时它也执行错误检测、仲裁、位,填充和总线错误处理功能。,位定时逻辑BTL:,BTL监视总线上的串行序列，处理与CAN总,线相关的位时间，按收到的报文头与总线上的位流同,步。BTL还为补偿传输迟延时间和相位跳变提供可编程的时,间段。,错误管理逻辑EML:它按照协议完成错误界定。它接受,来自BSP的出错通知，并向BSP和IML提供出错统计,SJA1000功能框图,出错处理功能的增强,仲裁丢失捕捉寄存器（）：以找到丢失仲,裁位的位置,出错代码捕捉寄存器（）：分析总线错误,类型和位置,出错警告限寄存器（）：定义出错警告,极限值,接收出错计数寄存器（）,发送出错计数寄存器（）,记录发送和接收时出现的错误个数等。,可根据从这两个,寄存器读取的错误个数来判断目前控制器的出错,状态。,出错中断：,出错中断源:总线出错中断、错误警告限中断(可编程设置),和被动出错中断。由中断允许寄存器()区分出以上,各中断,也可直接从中断寄存器()中直接读取中断寄,存器的状态来判断出错类型。,出错代码捕捉寄存器()：,当总线发生错误时,产生相应的出错中断,同时，把,对应的错误类型和产生位置写入出错代码捕捉寄存器(,相对地址为12)。这个代码一直保存到被主控制器读取出,来后,ECC才重新被激活工作，捕捉下一个错误代码。,可以从ECC读取的数据来分析属于何种错误以及错误产生的,位置，从而为调试工作提供了方便。,SJA1000的应用电路,SJA1000与以下芯片或电路组合，构成CAN,应用节点,微控制器CPU,总线收发器,晶振、电源、复位电路,其它测量控制电路,SJA1000的应用电路,其它与CAN通信相关的器件,INTEL,82527CAN通信控制器，支持CAN,2.0B规范,带CAN通信控制器的8位微控制器,P8XC592,-,具有微控制器P8XC552和CAN通信控制器82C200的功能组合,用CAN取代了I2C总线,带CAN通信控制器的16位微控制器,87C196CA/CB是INTER,MSC96系列成员,P51XA-C3是Philips,80C51XA系统成员,CAN总线收发接口器件82C250,82C250是CAN通信控制器与物理总线之间的接口，,器件可以提供对总线的差动发送和接收功能。,82C250的主要特性如下：,与ISO/DIS,11898标准全兼容,高速性（最高可达1Mbps）,具有抗汽车环境下瞬间干扰的能力,降低射频干扰的斜率控制,热保护,总线与电源及地之间的短路保护,低电流待机方式,掉电自动关闭输出,可支持多达110个节点相连接,对于CAN控制器及带有CAN总线接口的器件，,82C250并不是必须使用的器件，因为多数CAN,控制器均具有配置灵活的收发接口并允许总线,故障，只是驱动能力一般只允许2030个节点,连接在一条总线上。,而82C250支持多达110个节点，并能以1Mbps的