清华大学CAN总线.ppt

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1、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

2、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）

3、。, 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

4、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/

5、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) VCANH： 3.5v VCANL 1 1.5v, 隐位(1) VCANH 2.5v VCANL 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

6、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(Remo

7、te 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

8、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,

9、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

10、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

11、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 - 24M

12、Hz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

13、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，

14、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

15、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

16、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

17、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,速率工作于恶劣电气环境,CAN总线I/O器件82C150, 82C150是一种具有CAN总线接口的模拟和数字I/O器,件，可用于传感器、执行器接口。主要功能包括： CAN接口功能和I/O功能,CAN接口功能, 符合具有严格的位定时的CAN技术规范2

18、.0A和2.0B 全集成内部时钟振荡器（不需要晶振），位速率为 20K125Kbit/s 具有位速率自动检测和校正功能 由4个可编程标识符位，在一个CAN总线系统上最多可连接16 个82C150 支持总线故障自动恢复 具有通过CAN总线唤醒功能的睡眠方式 带有CAN总线差分输入比较器和输出驱动器, I/O功能, 16条可配置的数字及模拟I/O口线 每条I/O口线均可单独配置，包括I/O方向，口模 式和输入跳变的检测功能 在用作数字输入时，可设置为由输入端变化引起 CAN报文自动发送 两个分辨率为10位的准模拟量（分配脉冲调制PDM） 输出 具有6路模拟输入通道的10位A/D转换器 两个通用比较

19、器, 工作特性, 电压5V0.4%，电流20mA 工作温度：-40到125 28脚小型表面封装,CAN总线I/O器件82C150的应用,电机 M TOPFET,灯 TOPFET,模拟 传感器,开关量,情况1,情况2,CAN模块n 情况9 终端器,情况8,情况4,CAN模块2 VDD,情况3,VDD,情况6,CANH CANL CAN模块1 情况7 情况5,总,线 故,障,可配置片上系统TA7V05, TA7V是一个完整的32位现场可配置片上系统，集 成了广泛流行的32位ARM7处理器内核、可编程逻 辑、存储子系统和专用内部总线, 适合于工业现场和控制领域的应用, 具备功能丰富的FastChip

20、开发套件，为开发、设 计人员提供一个灵活的可配置平台，能快速地开 发出自定制的嵌入式应用系统,TA7V的主要性能, 高性能、低功耗的32位ARM7处理器, 支持实时操作系统，可实现源码级调试。, 集成了10/100M以太网, 为发送接收内建了2KB FIFO缓存，支持3个以上MAC地址, 集成了CAN2.0B控制器, 带有优先级仲裁，16个接收缓冲器，8个发送报文存储,器。, 报文滤波支持DeviceNet和CanOPEN协议, 集成了USB1.1控制器, 支持最高速率为12M的通用串行总线, 2个UART通用异步收发接口，可配置成RS-232、RS-485等,通信接口, 相当于6400个FP

21、GA门阵列的可配置系统逻辑（CSL Configurable System Logic）矩阵；支持标准逻辑设计 工具，可实现快速加法器、乘法器、逻辑运算、计数器等 专用电路, 32KB内部高速暂存SRAM、8KB混合指令/数据缓存，支持外 部EEPROM、Flash、SDRAM内存子系统，支持JTAG接口实时 调试功能, 8通道10位ADC，多功能定时器阵列（Multi-Function,Timer Array），丰富的可编程PIO接口,FastChip, 配套开发工具FastChip中包括Triscend软模块库, 可直接在FastChip编辑界面上配置这些软模块，实现,不同功能的灵活设计，

22、系统开发的可靠性高。, 允许设计人员导入利用第三方工具生成的用户自定义 的网表文件，作为FastChip的新模块，用于系统配置 TA7V05支持Red Hat、uCLinux和uC/OS等嵌入式操作系,统, 用户可根据系统开发的需要和特点，选择适当的操作系统,编,写应用程序并下载到开发板上,TA7V的工业总线“网关”功能, 由于TA7V配备了UART、USB1.1、CAN2.0B、以太 网等广泛流行的工业总线标准接口，可根据实际 要求在短时期内实现自定制的以太网桥，为工业 控制设备的Internet接入提供了方便可行的解决 方案，, 利用TA7V自带的设备驱动程序和丰富的API函数,可以缩短应

23、用开发周期。, 该款芯片可以作为工业总线互联、工业总线接入 Internet的“网关”，可作为嵌入式网关的芯片, 利用片上可编程PIO通道、ADC通道，实现,离散、模拟参数的输入、输出, 还可以利用系统内部的CSL逻辑和片上资源 实现电机驱动、PLC和PID等复杂的控制功 能，可作为工业控制现场的主控制器和网 络连接设备的核心芯片。,I/O接口,CAN总线,CAN总线上测控数据的远程监控 Internet,浏览器,服务器,路由器,CAN节点(DI),CAN节点(AI),CAN节点(DO),CAN节点(AO),TA7V05 可配置片上系统 CAN2.0B,以太网 10/100M 以太网MAC,其

24、他 工业 控制 应用, CAN网段上的测控节点通过TA7V上的CAN2.0B接口与 片上系统交换数据，存入TA7V的内存或相应的变量 中, TA7内存中测控数据可打包为以太网帧，再通过TA7V,上的以太网接口发送到以太网上, 这里的TA7V并不是严格意义上的网关，只是不同协,议网段间的数据转发通道。, 通过数据交换的B/S（浏览器/服务器）模式，用户 不必亲临现场就可以对现场的CAN总线数据进行监 控，达到了远程监控的目的。, 在ARM7处理器中植入uCLinux操作系统，而 uCLinux支持Web 功能，其Boa Web Server是一 个单任务的HTTP服务器，可实现动态Web, 用户

25、通过提交表单的方式发出HTML请求，服务器 端接收此请求后执行相应的CGI程序，根据用户 的表单请求进行数据存取处理，并生成动态HTML 文件加载这些数据信息，并返回给浏览器，完成 一次信息交互, 用户只需编写服务器端的相关CGI程序，对 uCLinux 内核和应用程序重新编译后，把映像文 件下载到Flash存储器，就可以实现嵌入式系统 的Web服务功能。, 利用TA7V05片上系统的嵌入式Web方式，可以很 方便地实现以太网和CAN总线的互联，并具有体 积小、可靠性高、易于增加其他控制功能的优 点，是CAN总线实现远程监控的理想解决方案。 TA7V有功能强大的逻辑功能模块；丰富的I/O接 口

26、可实现电机驱动、仪表设备等功能，还具有多 种工业总线接口，在工业控制领域具有良好的应 用前景。, 工业现场设备的网络化和智能化是技术发展的必 然趋势 ，以片上系统为代表的嵌入式系统将在 工业控制中发挥更大的作用,车身控制节点的数据通信, 车辆启动时的自检, 中央控制单元向各个模块发送自检命令，并收集各个 模块的返回信息。通过分析处理，及时发现和解决问 题。, 周期性数据刷新, 控制器单元可以定期向功能模块采集车门是否关闭、 车锁是否上锁、车窗的停止位置、座椅的电机状态、 室内温度、通风状态等状态信息。, 运行过程中监视, 监视总线上报文帧的收发情况，如发现总线异常，自,动作出紧急处理，给驾驶人

27、员发出报警等。,32位ARM7,CAN控制器,看门狗,复位 电源,车身控制器,43 7,数字信号 模拟信号,DI模块 AI模块 RS232,传感器 /开关 系统 标定,PIO ADC模块 UART JTAG,PC机,PIO,MCU配置,+5V +3.3V,+12V,电压调 理模块,SPI,LCD 显示,CAN收发器 CAN,12 16 13,存储单元 PIO CPU PIO A7V片上系统 PIO,大功率 DO模块 大功率 DO模块 大功率 DO模块,照明、空调 大功率设备 状态指示等 中功率设备 仪表盘等 小功率设备,车顶: 湿度、光敏传感 器, 信号灯控制, 汽车 顶篷、天窗等。 车门:

28、车窗玻璃,中枢 锁，车窗玻璃开关,吊 窗,制电机、转速传感器等 车头: 传感器、小 电机、前照明灯组 等,车身系统主要功能单元 车尾: 传感器、小 电机、后照明灯组 等 方向盘: 方向控制开关、挡 风玻璃上的擦拭装置、灯组 控制键盘、空调、座椅、控,LIN用于总线要求不高的车身系统，如车门，窗，灯等智 能传感器、执行器的连接、控制中 特点, 低成本的一线制硬件实现, 低速率，传输速率最高可达20Kbit/s (受到电磁干扰的限制) 单主机/多从机的通讯模式,无需仲裁机制, 基于通用UART/SCI接口的低成本硬件实现,几乎所有微控制器都具备LIN必需的硬件, 同步简单，从节点不需晶振或陶瓷振荡

29、器就能实现自同步, 大大降低硬件平台的成本, 通信确定性，保证信号传输的延迟时间(预见性可控性) 报文数据长度可变 奇偶，求和双重校验,CAN的下层网段-LIN,LIN物理层接口,显性 逻辑 “0”,GND,VBAT 8.18V 60%,40%,总线电压,时间,电控单元(ECU),隐性 逻辑 “1” 斜率限制,2V/s,UART,Rx Tx,主机: 1k 从机: 30k,总线,主机: 2.2nF 从机: 220pF,LIN消息帧,响应帧,间隔场 13 位,同步场 0X55h,帧头,同 步 场,标识符 标识符字节,校验和 消息,0 to 8 字节数据场 字节场 SCI / UART 格式,停止位

30、,0 1,2,3 4,5,6 7,开始位 LSB,LIN任务,LIN主机节点硬件结构,LIN从机节点硬件结构,LIN节点MCU资源要求, 根据LIN协议的通讯要求，LIN的通讯需要占用节点MCU以,下硬件资源： 一个UART；, 两个定时器：一个用于产生通讯波特率，一个用于通讯超,时检测；, 由于LIN同步间隔超过了普通UART 所能处理的长度，因此 从机需要额外使用其它的片内模块，例如模拟比较器或外 部中断，来进行同步间隔的检测；, CAN通讯管理器（仅用于主机节点）；, 占用部分RAM和ROM（或FLASH），具体大小视应用而定。,带有LIN物理层接口的芯片, Motorola, MC33

31、399：LIN物理层接口；, MC33689：带有增强型LIN物理接口的系统基础芯片； MC33895：带有LIN物理接口的4路半桥集成芯片；, Philips,TJA1020：LIN总线收发器；,UJA1061：适用于容错CAN或LIN网络的系统基础芯片；, Microchip,MCP201：带稳压器的LIN总线收发器；,PIC16C432/433：带LIN总线收发器的8位单片机。,典型的LIN应用,LIN低端网,络，同CAN相 结合可构成汽 车车身分层网 络结构，其主 干网络由CAN 来构筑，而用 LIN担任局部 的通信任务。,LIN总线在车门模块中的应用,车 门 模 块,LIN,子 网,

32、车门模块LIN子网, ,K1,K2,K3,K4为司机侧门窗开关； K5为门窗锁定开关； K6,K7为门锁微动开关； K8,K9,K10为门窗开关； M1,M3,M5,M7,M9为门锁电机； M2,M4,M6,M8为门窗电机； J1,J2,J3,J4为电机继电器。,灯 组 模 块,LIN,子 网,基于CAN的汽车控制网络标准SAE J1939 CAN规范只包括了物理层和数据链路层，是一个可以封 装在通信控制器集成电路芯片内部的规范。 SAE J1939以CAN为基础，其物理层和数据链路层基本上 沿用了CAN规范，并增加了网络层、应用层和网络管理 规范。 SAE J1939目前已经发布的规范如下：

33、, ,J1939/01 J1939/12 J1939/13 J1939/31 J1939/71 J1939/72 J1939/73 J1939/81,卡车、公共汽车控制与通信网络 物理层，250Kbps, 四线双绞线 物理层，诊断连接器 网络层 车辆应用层 虚拟终端应用层 应用层-诊断 J1939网络管理协议,通信参考模型比较,ISO模型,CAN,SAE J1939,网 络 管 理,应用层 表达层 会话层 传输层 网络层,应用层 网络层,数据链路 层 物理层,数据链路 层 物理层,数 据 链 路层 物理层,SAE J1939汽车内部网络,基于SAE J1939的车辆多网段系统,终端器,发动机,

34、变速器,网桥,终端器,终端器,终端器,终端器,刹车系统,减速器,路由器,网桥,刹车,照明,车轴/ 悬梁,终端器,终端器,至下一拖车 250Kbps,拖车子网 250Kbps,专用子网,牵引车子网,250Kbps,监视屏 （驾驶室） 250Kbps,牵引车 终端器,拖车,SAE汽车网络分类,网络分类 A类 B类,速度 10kb/s低速 10-125kb/s中速,应用 便利设施，如车体 分离、电子观后镜 调节等； 普通信息传输，如 仪表、电动车窗 等；,C类,125kb/s-1Mb/s高速 实时控制，如动力 传动系统、汽车动 力等；,D类,1Mb/s,多媒体应用，如互 联网、数字电视 等；,汽车内部网络的解决方案,（ Motorola ）,