詳解基于CAN總線(xiàn)的汽車(chē)儀表系統設計―CAN總線(xiàn)原理分析

控制器局域網(wǎng)CAN

控制器局域網(wǎng)CAN(CAN一 ControllerAreaNetwork)為串行通訊協(xié)議，屬于現場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )，能有效地支持具有很高安全等級的分布實(shí)時(shí)控制。CAN的應用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò )到低價(jià)位的多路接線(xiàn)都可以使用CAN?？刂破骶钟蚓W(wǎng)采用雙線(xiàn)串行通信方式工作。具有強有力的檢錯功能，可在高噪聲干擾環(huán)境中使用，具有優(yōu)先權和仲裁功能、多個(gè)單片微機可通過(guò)CAN的控制器掛到CAN總線(xiàn)上，形成多主機局部控制網(wǎng)。CAN 的最初設計目標是取代汽車(chē)中過(guò)多的硬件連接控制電路，但由于它的優(yōu)良性能，現在除了汽車(chē)外，它已在工業(yè)自動(dòng)化、各種控制設備、交通工具、醫療儀器以及建筑、環(huán)境控制等各領(lǐng)域得到了廣泛的應用[20]。1993年n月150正式頒布了道路交通運載工具一數字信息交換一高速通信控制器局域網(wǎng)CAN國際標準 15011898，為控制器局域網(wǎng)標準化、規范化的推廣鋪平了道路。

2.2.1 CAN技術(shù)規范

CAN是德國B(niǎo)osch公司在20世紀80年代初為解決現代汽車(chē)中眾多的控制模塊與測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信總線(xiàn)，是一種多主站總線(xiàn)通信系統。通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光導纖維，其通信速率可達IMbPs，最大通信距離可達5000m。在CAN總線(xiàn)通信控制器中集成了以N協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括零位的插入/刪除、數據塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作〔22]。在汽車(chē)電子行業(yè)里，使用CAN連接發(fā)動(dòng)機控制單元、自動(dòng)變速箱控制單元ABS系統等等，其傳輸速度可達 1Mbit/s。同時(shí)，可以將CAN安裝在卡車(chē)本體的電子控制系統里，諸如車(chē)燈組、電氣車(chē)窗等等，用以代替接線(xiàn)配線(xiàn)裝置。制定技術(shù)規范的目的是為了在任何兩個(gè)以N儀器之間建立兼容性?？墒?，兼容性有不同的方面，比如電氣特性和數據轉換的解釋。為了達到設計透明度以及實(shí)現靈活性，根據150/051參考模型，CAN被細分為以下不同的層次 :

1、CAN對象層 (the objeet layer)

2、eAN傳輸層 (the transfer layer)

3、物理層

對象層和傳輸層包括所有150/051模型定義的數據鏈路層的服務(wù)和功能，即邏輯鏈路控制子層(LLC)和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制子層(MAC)，對象層的作用包括:

1、查找被發(fā)送的報文;

2、確定由實(shí)際要使用的傳輸層接收哪一個(gè)報文;

3、為應用層相應的硬件提供接口。

傳輸層的作用主要是傳送規則，也就是控制幀結構、執行仲裁、錯誤檢測、出錯標定、故障界定?？偩€(xiàn)上什么時(shí)候開(kāi)始發(fā)送新報文及什么時(shí)候開(kāi)始接收報文，均在傳輸層里確定。位定時(shí)的一些普通功能也可以看作是傳輸層的一部分，，理所當然，傳輸層的修改是受到限制的。物理層的作用是在不同的節點(diǎn)之間根據所有電氣屬性進(jìn)行位信息的實(shí)際傳輸。在同一網(wǎng)絡(luò )內，物理層對于所有的節點(diǎn)必須是相同的。

2.2.2 CAN的基本概念

下面對CAN協(xié)議的媒體訪(fǎng)問(wèn)控制子層(傳輸層)的一些專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)和特征作說(shuō)明CAN協(xié)議的媒體訪(fǎng)問(wèn)控制子層(傳輸層)的一些專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)和特征作(Message):

1、總線(xiàn)上的報文以不同報文格式發(fā)送，但長(cháng)度受到限制?？偩€(xiàn)空閑時(shí)，任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)都可以發(fā)送報文。

2、信息路由 (InformationRouting):在CAN網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)不使用任何關(guān)于系統配置的報文比如站地址，由接收節點(diǎn)根據報文本身特征判斷是否接受這幀信息。因此系統擴展時(shí)，不用對應用層以及任何節點(diǎn)軟件和硬件作任何改變，可以直接在CAN網(wǎng)絡(luò )中增加節點(diǎn)。

3、標識符(Identifier):要傳送的報文有特征標識符(是數據幀和遠程幀的一個(gè)域)，它給出的不是目標節點(diǎn)地址，而是這個(gè)報文本身的特征。信息以廣播方式在網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送，所有節點(diǎn)都可以接收到。節點(diǎn)通過(guò)標識符判定是否接受接收到的這幀信息。

4、數據一致性:應確保報文在CAN網(wǎng)絡(luò )里同時(shí)被所有節點(diǎn)接收或同時(shí)不接收。這是配合錯誤處理和再同步功能實(shí)現的。

5、位速率:不同的CAN系統速度不同，但在一個(gè)給定的系統里，位速率是唯一的，并且固定的。

6、優(yōu)先權:由發(fā)送數據的報文中的標識符決定報文占用總線(xiàn)的優(yōu)先權。標識符越小，優(yōu)先權越高。

7、遠程數據請求 (RemoteDataRequest):通過(guò)發(fā)送遠程幀，需要數據的節點(diǎn)請求另一節點(diǎn)發(fā)送相應的數據?；貞濣c(diǎn)傳送的數據幀與請求數據的遠程幀由相同的標識符命名。

8、仲裁(Arbitration):只要總線(xiàn)空閑，任何節點(diǎn)都可以向總線(xiàn)發(fā)送報文。如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報文，就會(huì )引起總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)沖突。通過(guò)使用標識符的逐位仲裁一一載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測(CSMA/CD，Ca仃 lersenseMultipleAccesswitheollisionDeteet)—的無(wú)損仲裁方式就可以解決這個(gè)lb]題。

9、錯誤檢測與可靠性:為了保證發(fā)送的報文正確可靠，CAN采用發(fā)送濫聽(tīng)的位錯誤檢測、幀數據的循環(huán)冗余碼CRC校驗、位填充技術(shù)、幀格式校驗和應答檢測等五種錯誤檢測方法。這些措施使CAN具有識別全部的全局錯誤、發(fā)送端的局部錯誤、一幀信息中的5個(gè)以上隨機錯誤、報文中長(cháng)度小于巧的突發(fā)

性錯誤和報文中任一奇數個(gè)錯誤，使報文錯誤漏報率小于 4.7x10

10、故障界定(ConfinemenO:CAN節點(diǎn)能區分瞬時(shí)擾動(dòng)引起的故障和永久性故障。故障節點(diǎn)會(huì )被關(guān)閉。

11、同步:CAN節點(diǎn)之間采用串行線(xiàn)連接，數據和同步信號都由這個(gè)通道承擔。信息發(fā)送有起始同步信號，傳送過(guò)程中接收節點(diǎn)進(jìn)行再同步。

12、總線(xiàn)狀態(tài):e胡總線(xiàn)上用“顯性(dominant)”和“隱性(reeessive)”兩個(gè)互補的邏輯值表示“0”和“1”，“顯性”對應邏輯 “0”，“隱性”對應邏輯“1”，“顯性”狀態(tài)和“隱性”狀態(tài)線(xiàn)與為“顯性”狀態(tài)，所以當在總線(xiàn)上出現兩個(gè)節點(diǎn)同時(shí)分別發(fā)送“0”和“1”時(shí)，其結果是總線(xiàn)數值為顯性“O”。CAN總線(xiàn)采用二進(jìn)制不歸零伽Rz)編碼方式，所以總線(xiàn)上不是“0”，就是“1”。其具體代表值與電壓的關(guān)系如圖2一1所示:

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