什么是CAN總線,CAN總線的優(yōu)勢和特點
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CAN與其它通信方案的比較
在實踐中,有兩種重要的總線分配方法:按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中 ,不管每個節(jié)點是否申請總線,都對每個節(jié)點按最大期間分配。由此,總線可被分配給每個站并且是唯一的站,而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。這將保證在總線存取時有明確的總線分配。在第二種方法中,總線按傳送數(shù)據(jù)的基本要求分配給一個站 ,總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配(如:Ethernet CSMA/CD)。因此,當(dāng)多個站同時請求總線存取時,總線將終止所有站的請求,這時將不會有任何一個站獲得總線分配。為了分配總線,多于一個總線存取是必要的。
CAN的報文格式
在總線中傳送的報文,每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報文格式,其唯一的不同是標(biāo)識符(ID)長度不同,標(biāo)準(zhǔn)格式為11位,擴展格式為29位。
在標(biāo)準(zhǔn)格式中,報文的起始位稱為幀起始(SOF),然后是由11位標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位 (RTR)組成的仲裁場。RTR位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀,在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。
控制場包括標(biāo)識符擴展位(IDE),指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro),為將來擴展使用。它的最后四個字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度(DLC)。數(shù)據(jù)場范圍為0～8個字節(jié),其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC)。 應(yīng)答場(ACK)包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平(邏輯1),這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法,發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個站能正確接收到報文。
報文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位,如果這時沒有站進行總線存取,總線將處于空閑狀態(tài)。
CAN數(shù)據(jù)幀的組成
遠(yuǎn)程幀
遠(yuǎn)程幀由6個場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。遠(yuǎn)程幀不存在數(shù)據(jù)場。 遠(yuǎn)程幀的RTR位必須是隱位。 DLC的數(shù)據(jù)值是獨立的，它可以是0～8中的任何數(shù)值，為對應(yīng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度。 出錯幀 出錯幀由兩個不同場組成，第一個場由來自各站的錯誤標(biāo)志疊加得到，第二個場是出錯界定符 錯誤標(biāo)志具有兩種形式： 活動錯誤標(biāo)志(Active error flag)，由6個連續(xù)的顯位組成 認(rèn)可錯誤標(biāo)志(Passive error flag)，由6個連續(xù)的隱位組成 出錯界定符包括8個隱位 超載幀 超載幀包括兩個位場：超載標(biāo)志和超載界定符 發(fā)送超載幀的超載條件： 要求延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀 在間歇場檢測到顯位 超載標(biāo)志由6個顯位組成 超載界定符由8個隱位組成
數(shù)據(jù)錯誤檢測
不同于其它總線,CAN協(xié)議不能使用應(yīng)答信息。事實上,它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯誤的方法,其中前三種為基于報文內(nèi)容檢查。
3.4.1 循環(huán)冗余檢查(CRC)
在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。
3.4.2 幀檢查
這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性,用于檢查格式上的錯誤。
3.4.3.應(yīng)答錯誤
如前所述,被接收到的幀由接收站通過明確的應(yīng)答來確認(rèn)。如果發(fā)送站未收到應(yīng)答,那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯誤,也就是說,ACK場已損壞或網(wǎng)絡(luò)中的報文無站接收。CAN協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯誤。
3.4.4 總線檢測
有時,CAN中的一個節(jié)點可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。因此,發(fā)送報文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。
3.4.5 位填充
一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示,可保證位編碼的最大效率。然而,如果在一幀報文中有太多相同電平的位,就有可能失去同步。為保證同步,同步沿用位填充產(chǎn)生。在五個生。在五個連續(xù)相等位后,發(fā)送站自動插入一個與之互補的補碼位;接收時,這個填充位被自動丟掉。例如,五個連續(xù)的低電平位后,CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6個相同位,CAN就知道發(fā)生了錯誤。
如果至少有一個站通過以上方法探測到 一個或多個錯誤,它將發(fā)送出錯標(biāo)志終止當(dāng)前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文,并保證網(wǎng)絡(luò)上報文的一致性。當(dāng)大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后,發(fā)送站會自動地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。作為規(guī)則,在探測到錯誤后23個位周期內(nèi)重新開始發(fā)送。在特殊場合,系統(tǒng)的恢復(fù)時間為31個位周期。
但這種方法存在一個問題,即一個發(fā)生錯誤的站將導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)被終止,其中也包括正確的數(shù)據(jù)。因此,如果不采取自監(jiān)測措施,總線系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計。為此,CAN協(xié)議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區(qū)別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統(tǒng)計評估來確定一個站本身的錯誤并進入一種不會對其它站產(chǎn)生不良影響的運行方法來實現(xiàn),即站可以通過關(guān)閉自己來阻止正常數(shù)據(jù)因被錯誤地當(dāng)成不正確的數(shù)據(jù)而被終止。
CAN總線可靠性：
為防止汽車在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)交換錯誤而對司機造成危險,汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃宰銐蚋?或者殘留下來的數(shù)據(jù)錯誤足夠低的話,這一目標(biāo)不難實現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看,可靠性可以理解為,對傳輸過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯誤的識別能力。
殘余數(shù)據(jù)錯誤的概率可以通過對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計測量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯誤概率必須非常小,使其在系統(tǒng)整個壽命周期內(nèi),按平均統(tǒng)計時幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠?qū)?shù)據(jù)錯誤進行分類 ,并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘余錯誤概率,我們可將殘留錯誤的概率作為具有80～90位的報文傳送時位錯誤概率的函數(shù),并假定這個系統(tǒng)中有5～10個站,并且錯誤率為1/1000,那么最大位錯誤概率為10—13數(shù)量級。例如,CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率最大為1Mbps,如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用50%,那么對于一個工作壽命4000小時、平均報文長度為 80位的系統(tǒng),所傳送的數(shù)據(jù)總量為9×1010。在系統(tǒng)運行壽命期內(nèi),不可檢測的傳輸錯誤的統(tǒng)計平均小于10—2量級。換句話說,一個系統(tǒng)按每年365天,每天工作8小時,每秒錯誤率為0. 7計算,那么按統(tǒng)計平均,每1000年才會發(fā)生一個不可檢測的錯誤。
應(yīng)用舉例：
CAN總線在工控領(lǐng)域主要使用低速-容錯CAN即ISO11898-3標(biāo)準(zhǔn)，在汽車領(lǐng)域使用125Kbps的高速CAN。
某進口車型擁有，車身、舒適、多媒體等多個控制網(wǎng)絡(luò)，其中車身控制使用CAN網(wǎng)絡(luò)，舒適使用LIN網(wǎng)絡(luò)，多媒體使用MOST網(wǎng)絡(luò)，以CAN網(wǎng)為主網(wǎng)，控制發(fā)動機、變速箱、ABS等車身安全模塊，并將轉(zhuǎn)速、車速、油溫等共享至全車，實現(xiàn)汽車智能化控制，如高速時自動鎖閉車門，安全氣囊彈出時，自動開啟車門等功能。
can系統(tǒng)又分為高速和低速，高速can系統(tǒng)采用硬線是動力型，速度：500kbps，控制ecu、abs等；低速can是舒適型，速度：125kbps，主要控制儀表、防盜等。
某醫(yī)院現(xiàn)有5臺16T/H德國菲斯曼燃?xì)忮仩t，向洗衣房、制劑室、供應(yīng)室、生活用水、暖氣等設(shè)施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然氣1200萬m3,耗用20萬噸自來水。醫(yī)院采用接力式方式供熱，對熱網(wǎng)進行地域性管理，分四大供熱區(qū)。其中冬季暖氣的用氣量很大，據(jù)此設(shè)計了基于CAN現(xiàn)場總線的分布式鍋爐蒸汽熱網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：該樓宇自動化系統(tǒng)具有抗干擾能力強，現(xiàn)場組態(tài)容易，網(wǎng)絡(luò)化程度高，人機界面友好等特點。
CAN總線典型特征
CAN總線有如下基本特點
◎ 廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼，可以多主方式工作；
◎ 采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；
◎ 采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短；
◎ 每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境下使用；
◎ 節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響；
◎ 可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。
CAN總線的優(yōu)點
● 具有實時性強、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點；
● 采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；
● 具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN 控制器掛到CAN-bus 上，形成多主機局部網(wǎng)絡(luò)；
● 可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文；
● 可靠的錯誤處理和檢錯機制；
● 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；
● 節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能；
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