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CAN總線原理一、 概述 對于一般控制,設備間連鎖可以通過串行網絡完成。因此,BOSCH公司開發了CAN總線(Controller Area Network),并已取得國際標準化組織認證(ISO11898),其總線結構可參照I SO/OSI參考模型。同時,國際上一些大的半導體廠商也積極開發出支持CAN總線的專用芯片。通過CAN總線,傳感器、控制器和執行器由串行數據線連接起來。它不僅僅是將電纜按樹形結構連接起來,其通信協議相當于ISO/OSI參考模型中的數據鏈路層,網絡可根據協議探測和糾正數據傳輸過程中因電磁干擾而產生的數據錯誤。CAN網絡的配制比較容易,允許任何站之間直接進行通信,而無需將所有數據全部匯總到主計算機后再行處理。二、CAN在國外的發展 對機動車輛總線和對現場總線的需求有許多相似之處,即較低的成本、較高的實時處理能力和在惡劣的強電磁干擾環境下可靠的工作。奔馳S型轎車上采用的就是CAN總線系統;美國商用車輛制造商們也將注意力轉向CAN總線;美國一些企業已將CAN作為內部總線應用在生產線和機床上。同時,由于CAN總線可以提供較高的安全性,因此在醫療領域、紡織機械和電梯控制中也得到廣泛應用。三、CAN的工作原理 當CAN總線上的一個節點(站)發送數據時,它以報文形式廣播給網絡中所有節點。對每個節點來說,無論數據是否是發給自己的,都對其進行接收。每組報文開頭的11位字符為標識符,定義了報文的優先級,這種報文格式稱為面向內容的編址方案。在同一系統中標識符是唯一的,不可能有兩個站發送具有相同標識符的報文。當幾個站同時競爭總線讀取時,這種配置十分重要。 CAN總線的報文發送和接收參見圖1。當一個站要向其它站發送數據時,該站的CPU將要發送的數據和自己的標識符傳送給本站的CAN芯片,并處于準備狀態;當它收到總線分配時, 轉為發送報文狀態。CAN芯片將數據根據協議組織成一定的報文格式發出,這時網上的其它站處于接收狀態。每個處于接收狀態的站對接收到的報文進行檢測,判斷這些報文是否是發給自己的,以確定是否接收它。由于CAN總線是一種面向內容的編址方案,因此很容易建立高水準的控制系統并靈活地進行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進一些新站而無需在硬件或軟件上進行修改。當所提供的新站是純數據接收設備時,數據傳輸協議不要求獨立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化,即總線上控制器需要測量數據時,可由網上獲得,而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。四、位仲裁 要對數據進行實時處理,就必須將數據快速傳送,這就要求數據的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發送數據時,要求快速地進行總線分配。實時處理通過網絡交換的緊急數據有較大的不同。一個快速變化的物理量,如汽車引擎負載,將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數據并要求更短的延時。CAN總線以報文為單位進行數據傳送,報文的優先級結合在11位標識符中,具有最低二進制數的標識符有最高的優先級。這種優先級一旦在系統設計時被確立后就不能再被更改�？偩�讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖2所示,當幾個站同時發送報文時,站1的報文標識符為011111;站2的報文標識符為0100110;站3的報文標識符為0100111。所有標識符都有相同的兩位01,直到第3位進行比較時,站1的報文被丟掉,因為它的第3位為高,而其它兩個站的報文第3位為低。站2和站3報文的4、5、6位相同,直到第7位時,站3的報文才被丟失。注意,總線中的信號持續跟蹤最后獲得總線讀取權的站的報文。在此例中,站2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優點在于,在網絡最終確定哪一個站的報文被傳送以前,報文的起始部分已經在網絡上傳送了。所有未獲得總線讀取權的站都成為具有最高優先權報文的接收站,并且不會在總線再次空閑前發送報文。CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用,這些請求是根據報文在整個系統中的重要性按順序處理的。這種方法在網絡負載較重時有很多優點,因為總線讀取的優先級已被按順序放在每個報文中了,這可以保證在實時系統中較低的個體隱伏時間。對于主站的可靠性,由于CAN協議執行非集中化總線控制,所有主要通信,包括總線讀取 (許可)控制,在系統中分幾次完成。這是實現有較高可靠性的通信系統的唯一方法。五、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 ,不管每個節點是否申請總線,都對每個節點按最大期間分配。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,總線按傳送數據的基本要求分配給一個站 ,總線系統按站希望的傳送分配(如:Ethernet CSMA/CD)。因此,當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實現總線分配的方法,可保證當不同的站申請總線存取時,明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發送數據時產生的碰撞問題。不同于Ethernet網絡的消息仲裁,CAN的非破壞性解決總線存取沖突的方法,確保在不傳送有用消息時總線不被占用。甚至當總線在重負載情況下,以消息內容為優先的總線存取也被證明是一種有效的系統。雖然總線的傳輸能力不足,所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在CSMA/CD這樣的網絡中,如Ethernet,系統往往由于過載而崩潰,而這種情況在CAN中不會發生。六、CAN的報文格式 在總線中傳送的報文,每幀由7部分組成,見圖3。CAN協議支持兩種報文格式,其唯一的不同是標識符(ID)長度不同,標準格式為11位,擴展格式為29位。 @@TB17125002.GIF;在標準格式中,報文的起始位稱為幀起始(SOF),然后是由11位標識符和遠程發送請求位 (RTR)組成的仲裁場。RTR位標明是數據幀還是請求幀,在請求幀中沒有數據字節�？刂茍霭�括標識符擴展位(IDE),指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro),為將來擴展使用。它的最后四個字節用來指明數據場中數據的長度(DLC)。數據場范圍為0～8個字節,其后有一個檢測數據錯誤的循環冗余檢查(CRC)。應答場(ACK)包括應答位和應答分隔符。發送站發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送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法,發送站可以保證網絡中至少有一個站能正確接收到報文。報文的尾部由幀結束標出。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。七、數據錯誤檢測 不同于其它總線,CAN協議不能使用應答信息。事實上,它可以將發生的任何錯誤用信號發出。CAN協議可使用五種檢查錯誤的方法,其中前三種為基于報文內容檢查。 1.循環冗余檢查(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。 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.應答錯誤如前所述,被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發送站未收到應答,那么表明接收站發現幀中有錯誤,也就是說,ACK場已損壞或網絡中的報文無站接收。CAN協議也可通過位檢查的方法探測錯誤。 4.總線檢測 有時,CAN中的一個節點可監測自己發出的信號。因此,發送報文的站可以觀測總線電平并探測發送位和接收位的差異。 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,同步沿用位填充產生。在五個生。在五個連續相等位后,發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通過這種編碼規則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6個相同位,CAN就知道發生了錯誤。如果至少有一個站通過以上方法探測到 一個或多個錯誤,它將發送出錯標志終止當前的發送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文,并保證網絡上報文的一致性。當大量發送數據被終止后,發送站會自動地重新發送數據。作為規則,在探測到錯誤后23個位周期內重新開始發送。在特殊場合,系統的恢復時間為31個位周期。但這種方法存在一個問題,即一個發生錯誤的站將導致所有數據被終止,其中也包括正確的數據。因此,如果不采取自監測措施,總線系統應采用模塊化設計。為此,CAN協議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統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生不良影響的運行方法來實現,即站可以通過關閉自己來阻止正常數據因被錯誤地當成不正確的數據而被終止。八、CAN的可靠性 為防止汽車在使用壽命期內由于數據交換錯誤而對司機造成危險,汽車的安全系統要求數據傳輸具有較高的安全性。如果數據傳輸的可靠性足夠高,或者殘留下來的數據錯誤足夠低的話,這一目標不難實現。從總線系統數據的角度看,可靠性可以理解為,對傳輸過程產生的數據錯誤的識別能力。殘余數據錯誤的概率可以通過對數據傳輸可靠性的統計測量獲得。它描述了傳送數據被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數據錯誤概率必須非常小,使其在系統整個壽命周期內,按平均統計時幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠對數據錯誤進行分類 ,并且數據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,并假定這個系統中有5～10個站,并且錯誤率為1/1000,那么最大位錯誤概率為10—13數量級。例如,CAN網絡的數據傳輸率最大為1Mbps,如果數據傳輸能力僅使用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,所傳送的數據總量為9×1010。在系統運行壽命期內,不可檢測的傳輸錯誤的統計平均小于10—2量級。換句話說,一個系統按每年365天,每天工作8小時,每秒錯誤率為0. 7計算,那么按統計平均,每1000年才會發生一個不可檢測的錯誤。

回答者：EQag59318452016-06-08 00:00